通用傳感器接口電路(UTI)

摘要: 一種通用傳感器接口集成電路芯片- U TI. 它具有集成度高、μp 兼容、適用性強(qiáng)和自動(dòng)校準(zhǔn)等特點(diǎn). U TI 可為阻性、容性、電阻橋等物理量傳感器和微處理器之間提供方便、可靠的接口功能. U TI 采用三信號(hào)測量技術(shù), 可通過計(jì)算消除系統(tǒng)偏移及增益漂移造成的測量誤差.

Universal Transducer Interface (UTI) 是荷蘭Smartec 公司近年推出的一種傳感器接口集成電路. 它具有許多優(yōu)越性能, 可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研及**等領(lǐng)域. UTI 接口電路(簡稱UTI)是低成本CMOS 電路, 只需單電源供電(313VDC～315VDC) , 工作電流低于215 mA , 工作的溫度范圍為- 30 ℃～70 ℃. UTI 可以為容性器件、鉑電阻、熱敏電阻、電阻電橋及電位差計(jì)等各種類型傳感器提供接口電路, 并可構(gòu)成多路測量系統(tǒng),其測量分辨率可達(dá)到2 進(jìn)制13～14 位. UTI 能夠連續(xù)自動(dòng)校準(zhǔn)偏移量和增益誤差, 并能抑制50 Hz～60 Hz 的交流干擾, 可適應(yīng)2 或3 或4 線制測量方式, 而無需附加元件和電路, 其輸出信號(hào)為交流激勵(lì)信號(hào), 可以被微處理器兼容.

1 　引腳說明

U TI 具有16 腳DIP (Dual In2line Package)和18 線SOIC ( Small Outline Integrated Circut )兩種封裝形式供用戶選擇使用. 圖1 為兩種封裝的引腳排列.

圖1 　UTI 的引腳排列
Fig. 1 　Pin configuration

　
各引腳功能列于表1.
表1 　UTI 的引腳功能
Table 1 　Function of the 16 pins

2 　U TI 的工作原理

與其它模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換原理不同, U TI 是一個(gè)基于周期調(diào)制振蕩器的傳感器- 信號(hào)- 時(shí)間變換器. 振蕩器的頻率取決于傳感器信號(hào), 范圍在
20 kHz～50 kHz 之間. U TI 組件提供傳感器激勵(lì)信號(hào), 而且具有內(nèi)部電壓放大器和除法器, 除一個(gè)與傳感部件相同類型的參考元件外, 不需任何附加電路和元器件. 此外, 為了消除低頻干擾, U TI 采用斬波技術(shù)產(chǎn)生傳感器激勵(lì)信號(hào).U TI 的核心是三信號(hào)測量技術(shù), 這一設(shè)計(jì)方案消除了測量系統(tǒng)偏移和增益變化引起的誤差, 確保了測量的**性.三信號(hào)測量將每一次測量循環(huán)分為3 個(gè)階段, 如圖2 所示:

                            圖2 　UIT3 個(gè)階段測量的輸出信號(hào)
                           Fig. 2 　The output signal of the UTI for a 3 - phase mode

在**階段( Tof f ) , 測量整個(gè)系統(tǒng)的偏移量; 在**階段( Tref ) , 測量參考信號(hào); *后一個(gè)階段( Tx ) 測量傳感器信號(hào). 全部測量過
程由U TI 內(nèi)部自動(dòng)控制.每一階段的持續(xù)時(shí)間與該階段所測量的信號(hào)成正比, 3 個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間分別為:

電容測量:
Tof f = N K1 C0
Tref = N K1 ( Cref + C0)
Tx = N K1 ( Cx + C0)
電阻測量:
Tof f = N K2 V 0
Tref = N K2 ( V ref + V 0)
Tx = N K2 ( V x + V 0) (1)
式中: Cx 、V x ———被測傳感器信號(hào)
Cref 、V ref ———參考信號(hào)
C0 、V 0 ———包括偏移電壓在內(nèi)的常量
K1 、K2 ———增益
N ———一個(gè)測量階段中, 內(nèi)部振蕩器的振蕩周期數(shù). 慢速方式時(shí)N = 1 024 ;快速方式時(shí)N = 128.
由微處理器對(duì)U TI 輸出信號(hào)的每一測量階段持續(xù)時(shí)間進(jìn)行數(shù)字化處理. 微處理器測量信號(hào)周期*常用的方法是對(duì)各信號(hào)周期內(nèi)包含內(nèi)部振蕩器的振蕩周期數(shù)Nof f 、N ref 和N x 進(jìn)行計(jì)數(shù).而測量結(jié)果Cx / Cref 或V x / V ref 的比值, *終可由微處理器進(jìn)行計(jì)算, 即:
M =
N x - Nof f
N ref - Nof f
=
Cx
Cref
　　或
M =
N x - Nof f
N ref - Nof f
=
V x
V ref
(2)
從式( 2) 可以看出, 比值M 與系統(tǒng)的增益和偏移無關(guān), 也就是說, 在每次測量中, 系統(tǒng)已完成了對(duì)自身偏移量和增益漂移的校準(zhǔn), 消除
了由此產(chǎn)生的測量誤差.UTI 的全部測量過程由微處理器控制完成, 主要進(jìn)行周期調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測量結(jié)果比值M 的計(jì)算. 如果需要, 通過定標(biāo)、擬和過程, 還可完成物理量結(jié)果P = f ( M) 的轉(zhuǎn)換計(jì)算.用傳感器、U TI 芯片和微處理器組成一個(gè)集成度高、性能可靠、具有較高精度和低成本的微機(jī)控制測量系統(tǒng).

3 　U TI 的應(yīng)用舉例

U TI 具有16 種工作方式, 可通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)SL E1～SL E4 的控制進(jìn)行選擇. 下面以U TI 在應(yīng)變式壓力傳感器上的應(yīng)用為例, 來說明U TI 的使用方式.電阻橋是一種常用的測量物理量信號(hào)的方法, 應(yīng)變式壓力傳感器就屬于此類. U TI 提供了6 種工作方式測量電阻橋信號(hào).

圖3 (a) 所示為方式9 電阻橋測量系統(tǒng).
在這種方式下, 可測量的*大橋不平衡為±4 %.激勵(lì)信號(hào)為1/ 4 內(nèi)部振蕩器頻率. U TI 與電橋激勵(lì)端以四線制方式連接, 以消除引線電阻對(duì)測量產(chǎn)生的影響.
U TI 的周期調(diào)制輸出信號(hào)波形見圖3 (b) .

                圖3 (a) 　測量電阻橋信號(hào)的電路
                Fig. 3 (a) 　Measuremrent set up to measure resistive bridge

                          圖3 (b) 　UTI 的輸出信號(hào)
                          Fig. 3 　(b) 　The output signal of the UTI
微處理器87C51 的軟、硬件設(shè)置與本文**部分基本相同, 經(jīng)過對(duì)U TI 輸出信號(hào)Tof f 、TAB 、TCD 、TBC進(jìn)行數(shù)字化處理, 分別得到數(shù)
字量Nof f 、NAB 、N CD 、NBC.被測電阻橋的相對(duì)不平衡由M 表示:
M =
V CD
V AB
=
1
32·
NV CD - Nof f
NVAB/ 32 - Nof f
由于篇幅所限, U TI 的其它工作方式在此就不一一舉例了.

4 　U TI 輸出信號(hào)數(shù)字化的基本流程

從以上測量系統(tǒng)的實(shí)例可以看出, U TI 與微處理器聯(lián)接相當(dāng)簡單、方便. 而對(duì)U TI 輸出的周期調(diào)制信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的過程也并不復(fù)雜.由INT1線的上沿啟動(dòng)定時(shí)器對(duì)內(nèi)部振蕩器輸入給定時(shí)器的信號(hào)周期計(jì)數(shù), 因?yàn)檫M(jìn)入定時(shí)器的信號(hào)頻率為主振頻率的1/ 12 , 當(dāng)87C51 的主振頻率為12 MHz 時(shí), 被計(jì)數(shù)的信號(hào)周期為1μs , 定時(shí)器*大計(jì)數(shù)值為65535. 計(jì)數(shù)由INT1信號(hào)的下沿停止. 微處理器將定時(shí)器數(shù)據(jù)暫存, 每一次測量循環(huán)完成后, 進(jìn)行測量結(jié)果計(jì)算.　　U TI 在各種工作方式下, 每次測量循環(huán)的測量階段數(shù)不同(3～5 段) , 即輸出信號(hào)不同,但是它們?cè)赥of f 階段的調(diào)制信號(hào)被倍頻, 也就是說, 在此階段具有兩個(gè)時(shí)間相同的信號(hào)周期. 微處理器可據(jù)此確認(rèn)U TI 輸出信號(hào)的Tof f 階段,即可正確判斷和處理每個(gè)測量循環(huán)的全部信號(hào).

圖4 是微處理器對(duì)U TI 周期調(diào)制輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的簡要流程.

                               圖4 　UTI 輸出信號(hào)數(shù)字化流程圖
                               Fig. 4 　The flow chart of the output signal of the UTI