基于SOC的高精度倾角测量系统的设计

作者：时间：2011-03-10来源：网络收藏

1．4 SOC微控制器资源分配
本设计选用Silicon Labs公司的C8051F350作为处理核心。C8051F350是真正能独立工作的片上系统(SOC)，它自带8K字节Flash存储器，可在系统编程；集成了1个全差分24位Siva-Delta模／数转换器(ADC)，该ADC具有在片校准功能，2个独立的数字抽取滤波器可被编程到1 kHz的采样率；具有2路UART和1路SPI接口。与其他类型的微控制器实现相同功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051F350不仅减少了系统成本和系统体积，而且大大提高了系统的可靠性。
设计中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模／数转换器作系统信号的模数转换，SPI接口作MEMS倾角传感器的温度采集，以实现对传感器的温度补偿，UART作串行LED显示接口。为保证模／数转换器工作稳定，采用外部基准源。
1．5 ADC基准源及传感器电源
MEMS倾角传感器SCA100T在倾角为0°时，模拟输出为其电源电压的1／2倍，如果倾角传感器电源电压有波动，则其输出会产生相应的波动。因此设计时，将给模数转换电路提供基准源的输出(如图4所示)，经过提高驱动能力后，提供给MEMS倾角传感器SCA100T作电源(如图5所示)。一方面，基准源输出纹波极小，且性能稳定；另一方面，模数转换器的基准源和MEMS倾角传感器SCA100T的电源同时向相同方向变化，抵消了MEMS倾角传感器因电源引起零点漂移的影响。
图4中的基准源LM236输出的2．5 V电压经过轨对轨运放OPA340组成的跟随电路处理后，增大了驱动能力，既作为模数转换电路的基准源，同时还为差分转换电路提供中心电压，以及MEMS倾角传感器SCA100T的电源输入。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162331.htm

图5中的输入为图4中的参考电压(VREF)输出。以低漂移、高稳定性运放OPA340组成的运放电路给倾角传感器SCA100T提供电源，能保证电源纹波小，工作稳定。

2 信号的数学处理
2．1 ADC精度控制
C8051F350内部有具有2个独立的抽取滤波器(SINC3滤波器和快速滤波器)和1个可编程增益放大器。根据参考文献SINC3滤波器RMS噪声小，精度高，缺点是输出速率较低，而快速滤波器则相反。本设计对速率要求低，而对精度要求高，因此选用SINC3滤波器。SINC3滤波器典型RMS噪声如表1所示。

从表1可知，较高的抽取比需要较长的转换周期，即输出字速率较低，但具有较低噪声。
根据参考文献，采用SINC3滤波器时，该模／数转换器的实际分辨率为：

根据实际分辨率的公式(1)可知，当抽取比为1 920，输出字速率为10 Hz时，根据实际分辨率的公式(1)可得到实际分辨率约为20．00位。
SCA100T传感器的灵敏度为70mV／(°)，分辨率为0.0025°，ADC参考电压VREF为2.5V，则需要能检测的最小信号为0.0025°x70mV／°= 0.175 mV，根据0．175 mV／2．5 V=1／14 286可知，ADC的位数至少应为14位，即214=16 384>14 286，根据减额设计要求，取20位，所以本设计完全满足设计要求。
2．2 温度补偿
根据参考文献，SCA100T-D01的温度误差曲线如图6所示。