一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统
阅读说明：本技术 一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统 (High-precision multichannel synchronous acquisition system for temperature adaptive calibration ) 是由 刘宪爽 毛向向 张政 方厚招 刘希红 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统,包括：AD转换器、DSP、FPGA、运算放大器、模拟开关、热敏电阻；将外部组件输出的模拟信号连接至模拟开关的输入端,模拟开关的输出端连接至运算放大器的输入端,运算放大器的输出连接至AD转换器的输入端,AD转换器的R/C、CS信号由FPGA同时控制,以实现多通道模拟量信号的同步采集；温度校准通道信号由系统内部的热敏电阻经过稳压源上拉得到,输出的温度电压信号连接至另一片模拟开关的输入端；AD转换器采集的模拟量信号经过AD转换后送入FPGA,FPGA通过DSP的EMIF接口与DSP通信,将采集的温度校准信号和外部组件的模拟量信号送入DSP,DSP根据温度自适应校准算法,对外部组件的模拟量信号进行处理。(The invention discloses a high-precision multichannel synchronous acquisition system for temperature self-adaptive calibration, which comprises: the device comprises an AD converter, a DSP, an FPGA, an operational amplifier, an analog switch and a thermistor; analog signals output by an external component are connected to the input end of an analog switch, the output end of the analog switch is connected to the input end of an operational amplifier, the output end of the operational amplifier is connected to the input end of an AD converter, and R/C, CS signals of the AD converter are simultaneously controlled by an FPGA (field programmable gate array) so as to realize the synchronous acquisition of multi-channel analog quantity signals; the temperature calibration channel signal is obtained by pulling up a thermistor in the system through a voltage stabilizing source, and the output temperature voltage signal is connected to the input end of the other analog switch; analog signals collected by the AD converter are sent to the FPGA after being subjected to AD conversion, the FPGA communicates with the DSP through an EMIF interface of the DSP, collected temperature calibration signals and analog signals of external components are sent to the DSP, and the DSP processes the analog signals of the external components according to a temperature self-adaptive calibration algorithm.)
技术领域
本发明涉及信号采集、数据处理、温度自校准领域，具体涉及一种温度自 适应校准的高精度多通道同步采集系统。
背景技术
数据采集是智能测量、数据分析和控制系统获取信息的一种重要途径。数据 采集的精度对于整个系统的性能至关重要。采集精度与系统所使用的功能芯片 有关，高性能的控制处理芯片以及高精度的AD转换芯片是实现高精度数据采 集的基础。但由于器件本身的非理想性，使得系统采集的数据存在一定的误差， 从而影响整个系统的性能指标。AD转换器等器件比较典型的误差有失调误差、 增益误差、积分非线性INL和微分非线性DNL。其中，失调误差和增益误差在 元器件出厂时已调至最小，积分非线性INL和微分非线性DNL可以通过硬件或 软件校准的方法进行校正。但由于受温度和环境噪声变化的影响，这些误差将 会发生不同程度的变化，在满量程采集时常规的误差补偿方法往往无法达到预 期的采集精度。另外，元器件自身的温度漂移特性对数据采集精度也会造成一 定的损失。
受温度的影响，元器件自身误差特性的变化使得采集系统应用的环境受到限 制，而应用于星载设备的高精度采集系统必须满足在零下几十到零上几十摄氏 度复杂的空间环境保障同样的采集精度，因此要实现高精度的采集系统必须设 计一种较合理的温度校准方法来校正温度对采集数据造成的影响，以满足整个 系统的性能指标要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系 统，该系统在不同温度环境下能够自适应调整校准系数，将系统的失调误差、 增益误差、INL、DNL以及温度漂移造成的误差同时补偿，在高低温(-20℃～ 55℃)环境下较宽的采集范围(0～10V)内实现采集精度优于1mV的目的。
为了达到上述的目的，本发明提供一种温度自适应校准的高精度多通道同 步采集系统，包括：AD转换器、DSP、FPGA、运算放大器、模拟开关、热敏 电阻；
将外部组件输出的模拟信号连接至模拟开关的输入端，模拟开关的输出端 连接至运算放大器的输入端，运算放大器的输出连接至AD转换器的输入端， AD转换器的R/C、CS信号由FPGA同时控制，以实现多通道模拟量信号的同 步采集；温度校准通道信号由系统内部的热敏电阻经过稳压源上拉得到，输出 的温度电压信号连接至另一片模拟开关的输入端；
所述FPGA通过对模拟开关控制端的选通时序控制，实现对不同外部组件 信号的异步采集以及对温度校准通道信号的采集；
所述AD转换器采集的模拟量信号经过AD转换后送入FPGA，FPGA通过 DSP的EMIF接口与DSP通信，将采集的温度校准信号和外部组件的模拟量信 号送入DSP，DSP根据温度自适应校准算法，对外部组件的模拟量信号进行处 理。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述AD 转换器通过切换模拟开关，分时采集不同外部组件的模拟信号；所述DSP负责 温度自适应校准算法的实现；所述FPGA负责多路采集通道控制、时序控制、 中断管理。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述模拟 开关与AD转换器之间设置由运算放大器实现的电压跟随电路，电压跟随电路 具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，用于模拟量采集的阻抗匹配，以减小 采集回路上的阻抗对采集精度的影响。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述AD 转换器选用AD976ASD芯片，AD976ASD芯片具有16位分辨率，±10V量程。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述AD 转换器输入端连接有300PF～400PF的电容；在AD转换器的数字电源和模拟电 源间并联两组对地电容，并采用“*”型单点短接的方式，其中200nF的瓷介电 容用于滤除部分高频信号的干扰，22uF钽电容用于降低部分低频干扰信号产生 的影响。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述运算 放大器选用OP27AJ，运算放大器采用跟随器电路。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述模拟 开关选用HI1-201。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，所述温度 自适应校准算法使用32bit浮点型芯片DSP实现，型号选用 SMJ320C6701GLPW14。
上述一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统，其中，首先需要 搭建带有校准通道系统硬件平台，然后根据采集设备具体应用环境将温度范围 和采样范围进行细分，再根据校准算法模型求出各温度段的校准系数，最后将 各温度段的校准系数应用于系统硬件平台。
一种温度自适应校准算法，首先确定校准数学模型，然后细分采样范围和 温度范围，最后确定温度校准通道；外界环境温度由系统温度通道采集，温度 通道由系统内部热敏电阻实现，将温度信号转换为模拟量电压信号；多通道同 步采集系统在每次采集外部组件的模拟信号之前采集一组系统内部的温度通道 信号，由此信号判定外部模拟量信号的温度环境，从而决定所使用的校准系数。
本专利提出的温度自校准系统采用DSP+FPGA+AD转换器的架构方式实 现。采用4片AD转换器通过切换模拟开关，分时采集不同外部组件的模拟信 号。对于同一外部组件，可以进行4通道信号的同时采集。多通道采集系统硬 件结构组成如图1所示。
DSP主要负责实现温度自适应校准算法的实现。FPGA主要负责多路采集通 道控制、时序控制、中断管理等。多路选通模拟开关与A/D器件之间设置由运 算放大器实现的电压跟随电路，电压跟随电路具有较高的输入阻抗和较低的输 出阻抗，用于模拟量采集的阻抗匹配，以减小采集回路上的阻抗(外部组件内 阻、线缆损耗、模拟开关内阻等)对采集精度的影响。
AD模数转换器的选用与整个系统的采集精度至关重要，本系统选用航天产 品可靠性较高的AD976ASD芯片，AD976ASD具有16位分辨率，±10V量程。 为了降低外部噪声对采集信号的影响，保证采集电路的精度和可靠性，对AD 模数转换器采取如图2所示硬件滤波措施。在图2中，运算放大器输出端到AD 模数转换器输入端的信号可能会产生一定程度的抖动，在输入端增加一片 300PF～400PF的电容可消除这种抖动；在AD模数转换器的数字电源和模拟电 源间并联两组对地电容，其中200nF的瓷介电容用于滤除部分高频信号的干扰， 22uF钽电容可降低部分低频干扰信号产生的影响。AD模数转换器的AGND与 DGND采用“*”型单点短接的方式，以减小数字系统噪声对模拟系统的影响，同 时对数据采集的稳定和精度具有一定的改善作用。本专利基于AD976ASD提出 的硬件滤波措施同样适用于其他型号的AD转换器。
在高低温环境下，该系统中元器件参数产生温度漂移的主要是运算放大器、 AD转换器以及AD转换器所采用的外部精密电压基准。其中，运算放大器温度 漂移一般约为0.2uV/℃；AD976ASD的典型值为±7ppm/℃，即以+25℃为标准 化零误差，温度每变化1℃，输出电压偏离其标准值的百万分之七。本专利所设 计的采集系统中AD976ASD采用的标准值为2.5V，则温度每变化1℃， AD976ASD输出电压偏离17.5uV。由AD976ASDA温度漂移特性曲线可知，在 0℃时AD976ASD产生约1mV的偏离；精密电压基准器件本身输出误差一般为±25mV，温度漂移一般为55ppm/℃，受基准电压漂移的影响，在0℃时会使AD976ASD所采集的数据产生3mV～4mV的误差。
为修正高低温环境下失调和增益以及INL和DNL误差，实现高精度的数据 采集，本专利提出一种温度自适应校准算法，该算法首先需要确定校准数学模 型。
·校准模型
数据采集系统存在的线性误差所占比重一般远大于非线性误差，且易于校 准，因而，现有的校准方法都是针对系统的线性误差，本专利提出的校准方法 也同样是基于系统的线性误差。
如图3所示曲线中，X轴为实际采集值，Y轴为期望值(输入值)。数据采 集的理想转换曲线方程为：y＝x。
而实际转换曲线的斜率为kt，截距为bt，系统对应任意一点输入x的实际转 换数据记为y。则有y＝kix+hi。
以理想转换曲线上的(x0，y0)点作为参考点，由实际转换方程可建立系统 的拟合曲线方程：
y′-y0＝k′t(x′-x0)+b′t
将实际转换曲线上的2个校准参考点坐标(xc，yc)，(xd，yd)分别代入上 式中，即可求得拟合曲线的系数k′t和b′t的值：
·采样范围和温度范围细分
(1)采样范围细分
如图3所示，一般而言，在X轴上选用0、1/2FSR和1FSR 3路参考点进 行校准，若要实现更精确的校准，需要对X轴进一步细分，如下所示。
0～1/2FSR段可细分为：(1/2n)FSR(n＝1,2,3……i)，利用校准模型可得到(k1、b1)，(k2、b2)……(ki、bi)i种校准系数。
1/2FSR～1FSR段可细分为：(1-1/2n)FSR(n＝1,2,3……i)；利用校准模型亦可 得到(k1、b1)，(k2、b2)……(ki、bi)i种校准系数。
(2)温度范围细分
假设系统的工作温度为T0～Tn，温度梯度间隔设置为Δt(Δt<(|Tn|-|T0|))， 在Ti～Ti+Δt(i＝0,1,…,n)温度段进行采样范围细分，得到该温度段各采集范围 段的校准系数。
本专利所设计的采集系统工作温度范围为-20℃～55℃，温度梯度间隔Δt 可细分为10℃、5℃或1℃。如温度梯度间隔Δt选用1℃。即在-20℃～55℃ 温度范围内，温度每变化1℃使用一种校准系数。
由校准模型的特性可知，采集范围和温度范围细分的越精确，采集数据精 度越高。
·温度校准通道
外界环境温度由系统温度通道采集，温度通道由系统内部热敏电阻实现， 将温度信号转换为模拟量电压信号。本专利实现的多通道同步采集系统在每次 采集外部组件的模拟信号之前采集一组系统内部的温度通道信号，由此信号判 定外部模拟量信号的温度环境，从而决定所使用的校准系数。温度校准通道如 图1虚线框中内容所示。
图5所示内容是在不同采集阶段输入值与实际采样值的最大绝对误差与温 度关系曲线。从图中可以看出，采集系统4通道的采集信号在不同的采样范围、 不同温度下的采集误差均小于1mV，实现在较宽的采样范围(0V～10V)和较 高的温度范围(-20℃～55℃)内高精度采集的目的。
从图6的输入电压-温度-误差三维变化趋势图可以看出，输入电压在0V～ 10V范围内，采集误差呈“先增加再减小，然后再增加再较小”的趋势变化，说明 本专利设计的采集系统具有很强的自适应调节能力；在-20℃～55℃温度范围 内，能够根据各温度段的校准系数对采集信号进行修正，使采集误差小于1mV， 说明该系统具有很强的环境适应能力。
与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
本专利采集系统多通道的采集信号在不同的采样范围、不同温度下的采集 误差均小于1mV，实现在较宽的采样范围(0V～10V)和较高的温度范围(-20 ℃～55℃)内高精度采集的目的。
本专利设计的采集系统具有很强的自适应调节能力，在-20℃～55℃温度 范围内，能够根据各温度段的校准系数对采集信号进行修正，使采集误差小于 1mV，说明该系统具有很强的环境适应能力。
附图说明
本发明的一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集系统由以下的实施 例及附图给出。
图1为多通道同步采集系统硬件结构图。
图2为AD转换器AD976ASD电路硬件连接图。
图3为单个采集周期内的数据采集时序表。
图4为校准模型曲线图。
图5为不同采集阶段输入值与实际采样值的最大绝对误差与温度关系曲线。
图6为输入电压-温度-误差三维变化趋势图。
图7为不同温度范围和采集范围内第一采集通道的校准系数表。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的一种温度自适应校准的高精度多通道同步采集 系统作进一步的详细描述。
本专利所设计的温度自校准多通道同步采集系统，首先需要搭建带有校准 通道系统硬件平台。然后根据采集设备具体应用环境将温度范围和采样范围进 行细分，再根据校准算法模型求出各温度段的校准系数。最后将各温度段的校 准系数应用于系统硬件平台。
1.带有系统校准通道的多通道同步采集系统硬件平台的搭建
如图1所示。硬件平台采用FPGA+DSP+AD转换器的架构方式实现。AD 转换器选用4片AD976ASD，精密电压基准选用1片AD580RH，运算放大器选 用4片OP27AJ，模拟开关选用3片HI1-201，温度校准算法使用32bit浮点型芯 片DSP实现，型号选用SMJ320C6701GLPW14。本专利所需元器件均为航天或 地面产品常规通用元器件，可选用其他同类型的同特性器件进行替代。将外部 组件1输出的四路模拟信号连接至一片HI1-201(4输入4输出4控制端)的输 入端；外部组件2输出的四路模拟信号连接至另一片HI1-201的输入端；温度校 准通道信号由系统内部的热敏电阻MF501经过稳压源2.5V上拉得到，输出的温 度电压信号连接至第三片HI1-201的输入端。每个HI1-201的四个控制端分别连 接FPGA的一个IO口。三片HI1-201的输出端连接至四片运算放大器的输入端， 将运算放大器设计为跟随器电路，运算放大器的输出连接至四片AD976ASD的 输入端，四片AD976ASD的R/C、CS信号由FPGA同时控制，以实现四通道模 拟量信号的同步采集。FPGA通过对三片模拟开关HI1-201控制端的选通时序控 制，实现对不同外部组件信号的异步采集以及对温度校准通道信号的采集，其选通时序参见图3。四片AD976ASD采集的模拟量信号经过AD转换后送入 FPGA，FPGA通过DSP的EMIF接口与DSP通信，将采集的温度校准信号和 外部组件的模拟量信号送入DSP，DSP根据温度自校准算法，对外部组件的模 拟量信号进行处理。
为减小AD转换时的INL、DNL、失调误差、增益误差以及外界干扰引起的 采集误差，AD976ASD硬件滤波措施参见图2进行设计。精密电压基准源AD580 产生的稳压信号连接至AD976ASD的“REF”端，在“REF”端和输入端连接 一个33.2kΩ的精密阻值，该电阻是AD976ASD在模数转换运算时的补偿电阻， 其阻值不应改变。在输入端连接300PF～400PF的对地电容；在数字电源和模拟 电源间并联两组对地电容，并采用“*”型单点短接的方式。
按照先采集系统内部的温度信号再采集外部组件1的前四通道模拟量信号 然后再采集外部组件2的四通道模拟量信号的采集顺序，将一组的温度信号、 外部组件1的四通道信号以及外部组件2的四通道信号作为一个采集周期，单 个采集周期内的数据采集时序表如图3所示，
在图3中，J0、J1为模拟量电压采集通道选通信号，Z0为温度采集通道选通 信号。首先将Z0置为有效，选通温度采集通道，Z0有效时间约300us；然后进 入禁止选通状态100us，目的是避免选通开关在关断和闭合的瞬间信号之间的相 互串扰；再将“J0”置为有效，采集外部第一组模拟量信号，有效时间约700us； 然后再进入禁止选通状态100us；最后将J1置为有效，采集外部第二组模拟量信 号，有效时间约700us。上述选通信号有效时间可根据实际工程对模拟量的采集 频率要求来确定。
2.温度范围和采样范围细分
采样范围细分：本专利选用0、1/2FSR(记为Xc)、3/4FSR(记为Xd)和 1FSR(记为Xf)四路参考点进行校准。
温度范围细分：本专利温度梯度间隔Δt选用5℃。即温度每变化5℃使用 一种校准系数。
3.确定校准模型
本专利选用0、1/2FSR(记为Xc)、3/4FSR(记为Xd)和1FSR(记为Xf) 四路参考点进行校准。
0～1/2FSR段：
b1＝yc-kcxc，得到拟合曲线：yi＝k1xi+b1；
1/2FSR～3/4FSR段：
b2＝yf-k2xf，得到拟合曲线：yi＝k2xi+b2；
3/4FSR段～1FSR段：
b3＝yf-k3xf，得到拟合曲线：yi＝k3xi+b3。
4.校准系数的确定与应用
首先将无校准系数的采集系统进行高低温(-20℃～55℃)环境试验，温度每 变化5℃测量一次，得到不同温度内的原始采集数据，将该数据作为实际采集 值(图4X轴)；将不同温度内FLUKE45数字表(精度为0.1mV)的测量值作 为期望值(图4Y轴)。然后利用各采样范围内的校准模型得到校准系数。第一 采集通道的校准系数如图7所示。在图7中，首先根据系统内容所采集的温度 数据确定温度校准通道；然后再根据外部采集通道采集的模拟量电压信号确定 采样范围。由温度校准通道和采集范围就能确定该模拟量信号的KB校准系数。 本专利的采集系统设置四个同步采集通道，由于采集通道外部环境和内部环境 的影响因子不一致，故需对四个通道设置不同的校准系数。但由于其他通道的 校准系数与第一通道设计方法一致，本专利不再赘述。
最后将图7的校准系数存储于系统硬件平台的DSP中，组成有校准系数的 多通道同步采集系统。应用该系统再次进行采集时，DSP根据温度通道的采集 数据判定环境温度段，自适应的调用该温度段下的校准系数，实现采集数据温 度自适应校准。经过校准系数校准的各温度段的采集数据无限接近FLUKE45的 测量值，达到各温度段的采集误差小于1mV的目的。
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