【《基于传感器的智能秤系统平台架构和数字化模块分析案例》8500字】

(2-30)的运算过程均由A/D转换器自动完成，这样可以很好地协调全桥斩波和A/D采样，保证数据吞吐量最大化。实验表明，如果采用微控制器实现桥式传感器的交流激励，再将数据在微控制器中进行运算，数据流会慢得多，这种操作方式会降低系统数据率，最重要的是抑制失调误差和失调漂移的能力会大大减弱。模数转换模块图218ADS1261功能框图A/D转换器是本文数字化模块中至关重要的器件，是连接模拟世界和数字世界的桥梁。A/D转换器有很多类型，不同类型的A/D转换器的性能差别很大[27,28]。根据对测量领域的调查和实验室过去的经验，为了满足精密测量的需要，本文选择了德州仪器设计的24位分辨率，最大采样率40kSPS，最高支持10通道采样的Σ-ΔA/D转换器ADS1261。ADS1261是一款集成了低噪声可编程增益放大器的模数转换器，可以提供最高128倍的增益，其内部同时包含了高精度的电压参考和错误监视器，为大多数测量需求提供了高精度、单片式的解决方案，可用于称重传感器和电阻式温度传感器的测量。ADS1261最多支持5对差分通道的测量或者10个单端通道的测量，其内部灵活的数字滤波器可以针对50Hz和60Hz的工频进行线路周期抑制。在数字接口方面，ADS1261采用SPI接口，且只可以工作在模式1，用户可以通过SPI接口对A/D转换器的工作模式进行配置，也可以从SPI接口读取A/D转换器的转换数据。就数据帧结构而言，不同的工作模式会有所不同，而对读取命令而言，其返回数据帧在5到9个字节之间，具体情况取决于数据帧的状态字节和CRC校验字节是否使能。图219是本文A/D转换器的外围电路连接图。引脚AIN7和引脚AIN6作为差分输入引脚，连接模拟前端的差分输出。AIN2和AIN3是A/D转换器控制信号输出端，提供开关芯片ADG884的控制信号ACX1_N和ACX2_N，以实现桥式传感器的交流激励。AIN0和AIN1是本文中A/D转换器的参考电压输入引脚，转换器的参考电压取自桥式传感器的电源端。在传感器的交流激励过程中，A/D转换器参考电压的极性在两次连续测量之间会发生反转。虽然这会导致A/D参考电压极性反转，但是A/D内部会完成参考电压的二次反转，保证了整个过程中参考电压的可靠性。PWDN引脚在低电平状态下可以切断A/D转换器的供电，但恢复供电后其内部寄存器不会重置。而RESET引脚是芯片的复位端，低电平状态下会对配置进行初始化。START引脚用来启动转换，也可以通过SPI发送命令启动转换。图219A/D转换器外围电路原理图SPI接口部分：引脚CS作为片选信号，低电平时使能A/D转换器的SPI通信功能；SCLK引脚是SPI主机所提供时钟信号的输入引脚；DIN引脚这里作为SPI接口的MOSI端口，提供主机到主机的单向数据传输；DOUT/DRDY引脚作为MISO端口提供主机到主机的单向数据传输。DRDY引脚是转换完成的提示信号，当出现下降沿时说明一次转换完成，新数据可以被访问。信号完整性问题信号完整性描述了信号传输过程中在电路各个节点能否在对应时刻产生应有的信号幅度的能力，不仅包含了信号的时序响应能力，而且还包含了信号的幅度响应能力。若信号经过传输线后在时序或者幅度上出现了问题，即为信号完整性问题[29]。在PCB设计中常见的信号完整性问题有网络端口的反射、传输线间的串扰、周期性信号的周期抖动和各种延迟、衰减以及时序混乱问题[30,31]。反射带来的问题主要是过冲、下冲和振铃等现象。容性串扰是由于PCB同层或者相邻层临近信号间的电容效应产生的，感性串扰来自信号间的公共阻抗对不同回路的影响[32]。抖动是指周期信号的周期变化现象。延迟和衰减是指信号时序和幅度的失真。 图220高速数字信号的模拟特性数字化模块的版图在PCB设计中为了尽量克服信号完整性问题，本文在电路设计和布局布线方面采取了一些措施：A/D转换器的SPI通信接口串联了47Ω电阻用来防止发生振铃。各个芯片的电源引脚都采用了合适的滤波电容。在PCB的层叠设置方面采用了四层PCB结构，自上向下依次为顶层信号层、电源层、地层和底层信号层。电源层和地层根据器件布局的安排进行了平面分割，将数字和模拟部分的电源和地平面隔离。在PCB布局方面，采用模块化的布局方式：模拟电源、数字电源、信号调理模块、全桥斩波模块和模数转换模块的布局相对独立且所有器件均在顶层信号层。在PCB布线方面，信号处理模块采用全差分结构，布线时采用差分布线的方式。各个芯片的电源尽可能采用铺铜连接，并通过合理布局和打过孔的方式缩短回流路径，以降低电磁辐射。为防止高速信号线发生串扰，线与线之间的中心距离不少于三倍线宽[33]。在差分线的接收端之间使用滤波电容来降低差模干扰的影响[26,34]。图221PCB版图：顶层信号层(左)和底层信号层(右)图221是顶层信号层和底层信号层的PCB图。为了缩短回流路径，一些无源器件的接地端和附近的芯片接地端进行了铺铜，并通过多个过孔回流到地平面。为了提供良好的供电，设计中的电源走线均进行了加宽处理，部分芯片的供电采用铺铜实现。PCB在顶层信号层和底层信号层铺铜，除了有电磁屏蔽和散热的效果外，在加工工艺上还可以保证电镀效果，提高印制电路板的强度[35,36]。图222是电源层和地层的平面分割情况，其中的走线部分为平面分割线。图222PCB平面分割：电源层(左)和地层(右)表面贴装和故障排查表面贴装技术是一种小尺寸表面贴器件的印制电路板贴装技术。表面贴装技术需要使用表面贴器件，这种器件引脚很短，适合高密度集成和机器贴装。表面贴装技术可以实现元器件的精准贴装，提高了电路板的元器件密度和自动化贴装效率[37]。在完成本文数字化模块的PCB设计后，设计文件被提供给PCB板厂进行加工并根据裸露焊盘的情况加工了钢网。本文的数字化模块电路板制作过程如下：焊盘上锡：将PCB板固定在高精度丝印台上，对齐PCB和钢网。将搅拌均匀的锡膏在钢网上均匀刮试。器件贴装：将设计文件导入贴片程序进行贴片，贴片机根据每个器件的坐标、摆放角度和供料角度等信息完成器件贴装。回流焊接：贴装完的PCB板经检查无误后使用高温回流焊机进行焊接[38]。本文的PCB和钢网均为委托加工，器件的贴装和焊接工作在学校实验室自行完成。焊接完成的数字化模块如图223所示：左侧的八引脚插座是A/D转换器的控制接口；右侧的四引脚插针作为桥式传感器信号接口；3.3V数字电源由外部STM32开发板提供。经测试，该电路板工作正常。由于第一次进行表面贴装工作，在焊接完成后出现了模拟电源不正常的