精密程控電流源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：精密程控電流源采用USB通信模式，具有溫度測(cè)量和輸出電流非線性溫度補(bǔ)償功能，輸出電流的準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定可靠。文中介紹此電流源的電路設(shè)計(jì)、控制軟件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：USB總線 非線性溫度補(bǔ)償 溫度測(cè)量 XTR110

1 系統(tǒng)概述

程控電流源具有輸出電流范圍寬、準(zhǔn)確度高、功率大等特點(diǎn)，是組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和校驗(yàn)系統(tǒng)的必需儀器，廣泛用于工礦企業(yè)、科研國(guó)防等軍工單位的計(jì)量?jī)x表、自動(dòng)化標(biāo)定等設(shè)備中。本文介紹的精密程控電流源除上述特點(diǎn)外，還具備USB總線通信、溫度測(cè)量和輸出電流非線性溫度補(bǔ)償功能。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，精密程控電流源由微控制器（MCU）單元，USB接口單元，溫度測(cè)量單元，輸出電流校準(zhǔn)單元，信號(hào)輸出單元及電源單元組成。MCU單元通過(guò)USB接口單元實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，從上位機(jī)獲得控制命令并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)解析上位機(jī)命令來(lái)控制信號(hào)輸出信號(hào)，完成最終電流輸出。溫度測(cè)量單元和輸出電流校準(zhǔn)單元共同完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償。電源單元向其他單元提供所需電源。精密程控電流源還包括過(guò)流檢測(cè)、系統(tǒng)自檢、繼電器隔離輸出等單元，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能性和可靠性。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2．1 USB接口單元

精密程控電流源通過(guò)USB總線與上位機(jī)接口，USB接口的熱插拔、高速和即插即用特性大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便了電流源與上位機(jī)的通信，USB接口單元電路如圖2所示。

圖中，F(xiàn)T232AM完成USB總線到MCU串口信號(hào)線的轉(zhuǎn)換，以便上位機(jī)將USB虛擬成傳統(tǒng)的串行口，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序，便于實(shí)現(xiàn)USB總線與MCU的通信。為了避免USB信號(hào)與信號(hào)源間的干擾，選用光耦器件（圖中的U29）實(shí)現(xiàn)其與MCU的隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2．2 MCU及其外接單元

微控制器MCU是精密程控電流源的核心控制單元，其與溫度測(cè)量單元及輸出電流校準(zhǔn)單元的接口電路如圖3所示。

MCU單元選用AT89C51型單片機(jī)構(gòu)建運(yùn)行環(huán)境，完成對(duì)電流源系統(tǒng)的控制，包括外部擴(kuò)展ROM、外部擴(kuò)展RAM、硬件看門(mén)狗、硬件地址譯碼器等。

圖2

考慮到器件輸出特性隨溫度的變化，MCU外接溫度測(cè)量單元和輸出電流校準(zhǔn)單元來(lái)完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償，其原理是輸出電流校準(zhǔn)單元保存各溫度范圍內(nèi)不同設(shè)定電流值和實(shí)際輸出值之間的誤差，此誤差通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到，稱(chēng)為修正系數(shù)。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)溫度測(cè)量單元可得到當(dāng)前工作溫度，用此工作溫度對(duì)應(yīng)的設(shè)定電流值乘以修正系數(shù)，即可完成輸出電流的非線性溫度補(bǔ)償，大大提高電流的輸出精度。

溫度測(cè)量單元的核心器件是高精度數(shù)字溫度測(cè)量電路AD7416（圖中的U19），它采用IC總線與AT89C51接口，測(cè)量的環(huán)境溫度范圍為-10℃～+50℃，設(shè)計(jì)的MCU以十六進(jìn)制形式輸出所測(cè)溫度。

輸出電流校準(zhǔn)單元由M24C64型64k Bit EEPROM構(gòu)成，用來(lái)存貯電流源修正系統(tǒng)數(shù)值。MCU通過(guò)I2C總線可方便地對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并按照可變電流源的通信協(xié)議以8位十進(jìn)制數(shù)形式寫(xiě)入和讀出修正系數(shù)，從而保證了對(duì)輸出電流的精確非線性溫度補(bǔ)償。

2．3 信號(hào)輸出單元

信號(hào)輸出單元完成精密程控電流源的電流產(chǎn)生與輸出，包括以12位高精度DAC-HK12BGC型DAC為核心的DAC轉(zhuǎn)換電路和由TI公司的精密電壓/電流轉(zhuǎn)換器組成的后級(jí)轉(zhuǎn)換電路。MCU先譯碼上位機(jī)指令，然后向DAC轉(zhuǎn)換電路寫(xiě)入特定數(shù)據(jù)以控制其輸出的模擬電壓值。后級(jí)轉(zhuǎn)換電路接收DAC轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬電壓值完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，隨后輸出上位機(jī)設(shè)定的電流。信號(hào)輸出單元電路如圖4所示。

圖3

圖中，AT89C51的數(shù)據(jù)線D0-B7通過(guò)二片74HC573與DAC-HK12BGC接口來(lái)控制其模擬輸出，控制過(guò)程如下：AT89C51通過(guò)CS_DA與51_WR信號(hào)來(lái)啟動(dòng)DAC，當(dāng)DAC低字節(jié)選擇信號(hào)線CS_DAL與單片機(jī)寫(xiě)使能線51_WR構(gòu)成的組合邏輯有效時(shí)，向DAC寫(xiě)入低8位數(shù)據(jù)，然后以相同方式寫(xiě)入高4位數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步提高精度，DAC輸出端連有電位器W1、W2，分別用來(lái)微調(diào)滿(mǎn)偏和零偏。

DAC輸出的模擬電壓信號(hào)DA_OUT接入后級(jí)轉(zhuǎn)化電路XTR110，先通過(guò)其片內(nèi)的金屬薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)提供輸入的縮放比例及電流偏移，完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)IRF7104型場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流。XTR110具有14位轉(zhuǎn)換精度，0.005%的非線性度，確保了轉(zhuǎn)換精度。電位器W3、W4分別用來(lái)微調(diào)輸出電流零偏和滿(mǎn)偏，進(jìn)一步提高精度。

3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

在電流源系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)了完整的通信協(xié)議，規(guī)定了電流源從上位機(jī)獲得的控制命令字和相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)值。系統(tǒng)控制程序以AT89C51型單片機(jī)作為控制核心，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，分為主程序和串口中斷處理程序2部分。

3．1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)自檢、串口中斷配置等，流程如圖5所示。

圖4

系統(tǒng)上電后，MCU從地址0000H開(kāi)始執(zhí)行，主程序的入口地址為0050H。系統(tǒng)初始化包括初始化堆棧、初始化DAC、初始化串口、初始化寄存器、初始化看門(mén)狗等。部分主程序如下。

MOV SP，#58H ;初始化堆棧指針

MOV A，#00H

MOVX @DPTR,A ；初始化DAC

NOP

MOV A，#20H ；初始化定時(shí)器1，模式2

MOV A，PCON

ORL A，#80H

MOV PCON，A ；設(shè)定串口波行率19200

SETB MODE ；設(shè)定系統(tǒng)自檢

SETB R_EN ;初始化自檢繼電器

MOV TX_PNT,#40H ;初始化串口發(fā)送緩沖區(qū)指針

MOV RX_PNT,#30H ;初始化串口接收緩沖區(qū)指針

CPL WDI ；初始化看門(mén)狗

SETB TR1 ；開(kāi)定時(shí)器1

SETB REN

SETB ES ；開(kāi)串口中斷

SETA EA ；開(kāi)單片機(jī)中斷

MOV STATUS，#01H ；進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)

3．2 串口中斷處理程序

串口中斷處理程序是單片機(jī)控制程序的核心部分，串口接收上位機(jī)命令字，同時(shí)解析命令來(lái)控制硬件電路工作，流程如圖6所示。

以設(shè)定電流輸出這個(gè)最重要的命令為例，串口中斷處理程序先接收設(shè)定的電流值（以3位16進(jìn)制數(shù)表示），然后由單片機(jī)通過(guò)I2C總線讀取當(dāng)前溫度值和修正系數(shù)，再由系統(tǒng)軟件控制設(shè)定電流值乘以修正系數(shù)得到實(shí)際值，從而完成非線性溫度補(bǔ)償，單片機(jī)可根據(jù)實(shí)際值設(shè)定DAC輸出電壓，控制最終電流輸出，單片機(jī)串口中斷處理程序中的主要代碼如下：

；*********************；

SET_V:MOV A,37H ;得到設(shè)定電流值的最高位

ANL A，#0F0H

CJNE A，#30H，PACK1……

PACK1:MOV A,37H

CLR C

SUBB A,#37H

PACK2:MOV R2,A ;最高位存放R2

MOV A,38H

ANL A,#0F0H

CJNE A,#30H,PACK3……

PACK3：MOV A，38H

CLR C

SUBB A，#37H

PACK4：MOV R1，A ；中間位存入R1

MOV A，39H

ANL A，#0F0H

CJNE A，#30H，PACK5……

PACK5：MOV A，39H

CLR C

SUBB A，#37H

MOV R0，A ；最低位存入R0

MOV A，R1

SWAP A

ORL A，R0

MOV R0，A ；最低位與中間位合并

MOV DPTR，#CS_DAH

MOV A,R2

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#CS_DAL

MOV A,R0

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#CS_DA ;設(shè)定DAC輸出

MOV A，#00H

MOVX @DPTR,A ;更新DAC

RET

；************************************************；

單片機(jī)通過(guò)I2C總線讀取當(dāng)前溫度值和修正系數(shù)的程序與之相，這里只給出讀取溫度值程序：

；Read A Byte From AD7416 E2RPOM

ACALL RDBYTE ;讀取溫度值高位

MOV R1，A ；存入R1

CLR TMSDA ；ACK

NOP…… ；NOP指令

SETB TMSCL

NOP……

CLR TMSCL

NOP……

SETB TMSDA

ACALL RDBYTE ；讀取溫度值低位

MOV R0，A ；存入R0

SETB TMSDA ；N0 ACK

NOP……

SETB TMSCL

NOP……

CLR TMSCL

NOP……

CLR TMSDA

NOP……

SETB TMSCL

SETB TMSDA ；停止

；Read A Byte From AD7416 E2PROM

RDBYTE:MOV R0,#08H

RDBIT:SETB TMSCL ;SCL保持高電平

MOV C，TMSDA

RLC A

CLR TMSCL ；SCL保持低電平，SDA電平改變

NOP……

DJNZ R0，RDBIT ；讀完結(jié)束

RET

4 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹的精密程控電流源輸出電流為0～20mA，編程步進(jìn)電流為100μA，電流誤差小于50μA，已在某機(jī)載信號(hào)調(diào)節(jié)器自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)得到很好的應(yīng)用。該自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)可模擬信號(hào)調(diào)節(jié)器所需的各種輸入信號(hào)，并使用采集設(shè)備信號(hào)調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)理信號(hào)，然后進(jìn)行分析并完成機(jī)載信號(hào)調(diào)節(jié)器的自動(dòng)檢測(cè)和標(biāo)定，可大大提高檢測(cè)精度，檢測(cè)效率和降低人員工作量。