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1、一种智能温度传感器硬件电路分析和改进內容摘要太简了本文介绍了以Pt100为敏感元件智能温度传感器的一种成熟处理电路,文中对该电路进行详尽的分析、列出电路的优缺点,并在此基础上提出修改意见。关键词:温度传感器PT100 惠斯通电桥以上的內容摘要和关键词应独占一页红色字或刪或改前言由于被测对象为非电量,利用传感器将测到的非电量转换为电信号,大多数传感器产生的信号都很微弱,通常只有uV 或mV 两级,必须用高输入阻抗的运算放大器对他们进行放大,使其达到一定的幅度(通常为几伏。还要进行滤波,选取信号中一定频率范围的成分,去掉各种干扰和噪声。若信号的大小与A/D 转换的输入范围不一致,必须进行电平转换。

2、转换后的数字信号送入单片机,而后进行数据运算和处理,将结果通过总线发送给控制器或显示器。1 智能温度传感器的结构框图2 智能温度传感器器件选择随着以微电子技术为基础的计算机技术、网络技术、通信接口技术和检测技术、人工智能技术的发展, IC 芯片正在向着单片化、微型化、综合化、高性能价格比的方向发展, 这使得原来功能单一,结构复杂,连线困难,功耗高的单片IC 芯片逐渐被多功能、结构精巧、通用联线而且低功耗的集成式IC 器件所替代。特别是在片内集成了程序数据存储器、ADC 转换和I/O 接口功能的单片机的出现,已经在智能化仪表中获得广泛应用,也为智能传感器的设计和实现提供了坚实的物质基础。为了设计

3、出结构紧凑、可靠度高、低功耗的智能温度传感器,并结合传感器应用的实际对象和场合,我们在设计选择器件时充分考虑了这一趋势的同时,还要考虑实验室项目的一致性,尽量减少开发平台重复建设。2.1 智能温度传感器微控制器选择微控制器(MCU 是智能传感器的核心器件,它对智能传感器的性能指标影响很大。目前市场上MCU 的型号和种类很多,其中比较流行的有Intel 公司的MCS51系列、Motorola 公司的68H 系列、Microchip 公司的PIC 系列、Atmel 公司的A VR 系列以及以ARM 体系结构的单片机等2。MCS51系列单片机应用敏感元件 模拟信号处理 A/D 转换 数字信号处理 通

4、信 总 线被测信号 图1 智能温度传感器结构框图广泛,价格低廉,发展较成熟,但它的实时性相对较差;Motorola的68H系列单片机在家电、耐用消费品等人民生活领域占据了广阔的市场,在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。Microchip公司的PIC系列单片机采用RISC 结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。适用于用量大,档次低,价格敏感的产品。ATMEL公司的A VR单片机,是增强型RISC内

5、载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。A VR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。A VR单片机工作电压为2.76.0V,可以实现耗电最优化。A VR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。由此可见,各个公司单片机都有各有千秋,他们生产的芯片还有千变万化的内部功能配置组合,如何选对一款合适的MCU也是系统开发前期需要考虑的重要问题。以下几点就是芯片选型的依据:1. 成本成

6、本是一个关键性因素。当注重MCU的性能的同时,还要考虑系统的整体成本和开发系统时所用到的在线仿真器、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等的成本。不能只看到MCU的成本,有时一个快速而廉价的MCU可能会成为系统成本居高不下的问题根源,因为系统往往还需要加上各种外设,要使各种外设协同工作需要扩展总线和增加延时逻辑。作为系统的设计者,应该尽量制定一个合理的预算,同时又能满足系统的各项要求。2. 片内要有充足的RAM和ROMMCU内部有充足的存储器既可以节省传感器的成本,又可以减少传感器的体积。由于CANopen协议栈由多个子协议和服务组成,而且系统采用查表方式实现传感器的显性化,因此需要大量的

7、RAM和ROM。3. 功耗低基于现场总线的智能传感器大多工作在距离控制室很远的地方,再加上国家提倡节约能源,因此功耗问题是值得关注的。有时功耗太大会影响传感器的本质安全。4. 内置CAN总线接口CAN-BUS为本系统主要输出通道,所以选用的MCU芯片必须具备CAN总线接口。根据以上要求我们选用Atmel公司的A VR系列处理器AT90CAN32作为智能传感器的核心。AT90CAN32为基于A VR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。A VR 单片机以字作为指令长度单位,将内容丰富的操作数与操作码安排在一个字中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此,AT90CAN32共有133条精简的指

8、令,其中大部分为单周期指令,此外它还有一个两个指令周期的硬件乘法器。A VR 单片机采用哈佛(Harvard结构的流水线技术,在执行一条指令的同时,下一条指令也被取出来。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,AT90CAN32的数据吞吐率高达1MIPS/ MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾5。AT90CAN32单片机是以Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的A VR单片机家族中的高性能单片机,具有比其他型号单片机更高的性能。它在A VR内核的基础上增加了更多的功能,并完善了接口性能,在省电、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善,具体特点如下:32K字节的

9、系统内可擦写10000次的Flash程序存储器、4K字节可擦写100000次的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、一个含15个邮箱的CAN控制器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可以用于片上调试,以及六种可以通过软件选择的省电模式。 图2 AT90CAN32 内部结构框图几个图都无法看清,不如刪去!别在文章中凑数,浪费空间!这些图你自

10、己看得清吗?看明白了吗?这就下载交上來不是糊弄人吗?!太省心省力了吧!AT90CAN32有多种片内ISP Flash可以通过SPI 接口、通用编程器,或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行,实现RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,AT90CAN32为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案,AT90CAN32内部结构框图如图2所示。以下重点介绍智能温度传感器应用到AT90CAN32的几个部分。AT90CAN32存储器结构介绍:A VR 结构具有两

11、个主存储器空间:数据存储器和程序存储器,如图3和图4所示。此外,AT90CAN32 还有EEPROM 存储器以保存重要数据。这三个存储器空间是独立编址和线性的。 AT90CAN32具有128K 字节的在线编程Flash 。因为所有的A VR 指令为16位或32位,故FLASH 组织成 64K x 16的形式。考虑到软件安全性,Flash 程序存储器分为两个区:引导程序区和应用程序区。Flash 存储器至少可以擦写10,000 次。AT90CAN32 模数转换通道介绍:ATmega128内部集成一个10位的逐次逼近型ADC 。ADC 与一个8通道的模拟多路复用器连接,能对来自端口F 的8路单端输

12、入电压进行采样。器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2有可编程增益级,在A/D 转换前给差分输入电压提供0 dB (1x、20 dB (10x 或46 dB(200x 的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1,而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用1x 或10x 增益,可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益,可得到7 位分辨率。图4 程序存储器映像图3 数据存储器映像ADC 包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。ADC 的框图如5所示。 图5 ADC结构框图AT90CAN32 CAN

13、控制器介绍:AT90CAN32的CAN控制器完全兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B规范,共计15个独立的具有优先级的邮箱,支持时间触发通信协议,可以为每一个CAN报文印“时戳”,支持自动回复功能14。AT90CAN32的CAN控制器结构框图如图6 图6 AT90CAN128 CAN控制器结构框图所示。2.2 智能温度传感器敏感元件及信号调理电路运算放大器选择在常用的温度传感器有热电阻式、热敏电阻式及热电偶式。热电偶用在检测高温的场合如排烟温度等;而热电阻和热敏电阻用于测量温度较低的场合,如检测气缸冷却水温度、滑油温度、主轴温度等。但热敏电阻的测量精度不高、非线性差,主要用作温度开关。热电阻

14、具有良好的线性度,尤其是铂电阻,它不仅拥有良好的线性度和复现度,而且具有很高的温度系数,其大约为30007000ppm/。考虑到系统的成本和功耗问题,我们选用Pt100作为敏感元件。如上述论述可知,铂电阻将以电阻的变化来反映温度的变化,而电阻不易变换,必须用适当的电路来实现电阻到电压的转化。一般采用惠斯登电桥法,惠斯登电桥法得到是很微弱的电压(毫伏级的电压,该电压必须经过适当的放大才能被使用。这就要求放大器增益高,性能稳定,尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高,也就是要能对信号实现精密放大处理,满足计量要求。这时,设计师们往往首选就是采用专用精密集成运算放大器,然而精密集成运算

15、放大器价格较高,芯片供电多采用双电源对称供电,对供电电路要求较高,应用上不太方便。而LM358 系列集成运放是4组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器,它既可以单电源使用,也可以双电源使用,电源电压可以从+ 5V 到±15V ,而且驱动功耗低,每一组运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计,以LM358为主要器件的放大电路完全能满足高放大倍数、高稳定性的仪器仪表信号的放大处理要求。2.3 智能温度传感器CAN总线通信器件选择由前文可知AT90CAN32在片内集成了CAN总线控制器,故只需要外加两只CAN总线收发器就可构

16、成CAN总线通信模块。市场上有许多种CAN总线收发器,如Philips公司生产的AU5790、PCA82C251和TJA1040,德州仪器公司生产的SN65HVD230等。AU5790价格低廉,但最高传输速度为83kbps;PCA82C251是性价比最为合理的一款CAN总线收发器,其价格较低且最高传输速度为1Mbps; TJA1040的性能较PCA82C251并没有多大的提高,只是它可由3.3V供电,且其的电磁辐射较低;SN65HVD230具有良好抗干扰能力和高可靠性,由3.3V供电,最高速率可达1Mbps,但它主要是与带有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用,且其价格较高

17、。综合上述分析,本系统的CAN总线收发器采用Philips公司的PCA82C251。PCA82C251是较为常用的一款CAN总线收发器,是CAN协议控制器和物理总线间的接口,它主要是为汽车中高速通讯(高于1Mbps应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力,完全符合“ISO11898”标准。PCA82C251的特点有:1完全符合“ISO11898”标准2高速率(最高达IMbps3应用在汽车环境中具有抗瞬变的总线保护能力4信号上升沿和下降沿的斜率控制,以降低射频干扰(RFI5差分接收器,在宽范围内具有抗共模干扰和抗电磁干扰(EMI6过热保护7防止电池和地之间的发生短

18、路8低电流待机模式9未上电的节点对总线无影响10可挂载110个节点为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,AT90CAN32CAN控制器的TXD和RXD并不是直接与PCA82C251的TXD和RXD相连,而是通过高速光藕6N137后与PCA82C251相连,这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。2.4 智能温度传感器电源模块以及供电方式的选择正确选择电源表面上看似易如反掌,然而,随着需要多电源电压的电子产品的推出,这项工作变得愈发复杂。当选择实际系统中所需的电源时,必须考虑成本、解决方案的外形尺寸、输入输出的电压以及所需的输出功率等诸多因素。另外还要结合系统的实际需求来选择。目前市场上

19、主要有两种类型的低电压电源芯片:线性稳压器(LDO和开关式(BUCK稳压器。线性稳压器成本低,电路简单,不易受电磁干扰,输出纹波小,但缺点是电源转换效率低,尤其是应用在低电压稳压电路中。而开关式稳压器的供电效率高,输入电压范围宽,输出功率大,可以缓启动,主要缺点是输出电压中纹波较大。本系统既有模拟电路,又有数字电路;而且用于CAN节点间电气隔离的6N137的两个电源必须完全隔离,否则采用光藕也就失去了意义,因此本系统采用输入输出彼此隔离和稳压输出的供电方式。综合上述因素,我们采用DC/DC开关电源模块来构建传感器的电源,此外, DC/DC电源模块还要具有稳压和隔离的作用。目前市场上生产这种DC

20、/DC电源模块的厂家有很多,经过市场调研我们选用上：懵实缭纯萍加邢薰旧腟05ID05-1W 。S05ID05-1W 为一款宽电压输入、双端稳压输出、高隔离的DC/DC 电源,它具有如下特点:1 内置输入滤波器,负载效应:±2%(0%100%负载2 过流保护点:110%150%标称输出电流自恢复3 工作温度:-25/-40+854 隔离电压:1000VDC3000VDC5 输出纹波/噪声(20MHz :50mVp-p Max6 开关频率:150200KHz ,7 MTBF (平均故障间隔:200000h8 功率:0.1W2WS05ID05-1W 为本系统提供了5V 到正负5V

21、的转换,不仅体积小,而且还具有高隔离和稳压作用。3 智能温度传感器硬件结构结合上述所选元件,由AT90CAN32为处理器核心的CAN 总线智能温度传感器硬件结构图如图7所示。图7 智能温度传感器硬件结构图 AT90CAN128仪用放大器JTAG复位电路DC/DC 变换CAN 总线收发器光藕6N137敏感元件Pt100CANH CANL V+V-晶振惠斯登电桥4 智能温度传感器温度采集电路设计热电阻与后续处理电路接线有三种方式:两线制、三线制和四线制。两线制接线简单,但对引线电阻有一定要求,否则会引起较大的误差。三线制是工业上常用的接线方式,这对于远程安装敏感元件(Pt100并附Pt100分度表

22、,该接线方式可以降低延长线引起的误差。三线制连接方式常采用恒压式、惠斯登电桥实现电阻到电压的转换,如图8所示。然而这种接线方式在整个量程范围内测量误差也不会为零,具体原因见下文。四线制可以实现更高精度测量,它采用恒流供电,一般在实验室精密测量中使用,但在工业场合中电流要做到恒流是很难的,即便做到也是成本很高。因此,我们采用工业上最为常用的三线制连接方式,如图8所示。图8中,r 1、r 2、r 3为延长线电阻,+5A V为电压源,设12I I I =,则s t U I R R r r R I R R r r =+-+ (1 由于三根引线是材料相同、长度相等,即123r r r =,则1514*(

23、s t U I R R R =+-(2 其中15R 是为了避免后面的ADC 在输入电压为0V 时采样不准而增加的;14R 是为了降低偏置电压,从而使s U 与t R 成正比。很明显,上式抵消了导线电阻产生的误差电压。但由于1I 随t R 的温度变化而变化,则12I I =的条件随温度上升而产生偏差。为了减弱这种误差,一方面可以增加12R 和13R 的阻值,从而减弱t R 的变化对1I ,同时也减少了由于流过Pt100的电图9 由LM358构成的仪表放大器图8 Pt100三线制接线方法流产生自身温升;另一方面,可以通过数字滤波的方法来消除这种误差。由图8可以得出当环境温度由0变化到100时,惠斯

24、登电桥的输出电压s U 从1.175256mV 变化到19.952216mV ,由此可见s U 还是非常微弱的电压信号,还需要进行适当的放大才能送给ADC 进行模数转换。我们采用LM358构成的仪表放大器进行信号的放大,如图9所示。图9中,仪表放大器由3个LM358运算放大器组成,可以将其分为两级来进行分析。前一级由两个同相放大器组合而成,输出分别是U3和U6;后一级由IC1A 和R3、R4、R9、R10组成1。对于前一级按照虚短、虚断方法分析可得U1=U4,U2=U5的结论,则R6和R7上的电流为:1267(U U I R R -=+ (3进一步推得 1223167(*(U U R U U

25、R R -=+ (41286267(*(U U R U U R R -=-+ (5若定义:12diff U U U =-,则2828366767(*1(diff diff diff R R R R U U U U U R R R R +-=+=+(636U U -是后级的差分输入电压,若保证34910R R R R =,则后级是标准的差分放大器。将上述式子结合运算,则得到2832867467(*1*1(o diff diff R R R R R U U U R R R R R +=+=+(7而图9电路中28R R =,则仪用放大器的增益公式可简化为:2672*1(o diff R U U R

26、R =+(8可以证明,在前级的运放IC1B 和IC1C 参数匹配,即它们的外部电路参数相同且其电气特性(包括失调参数也相同的情况下,两个输入端的失调所导致的输出是相互抵消的。由运放IC1A 组成的后级是一个标准的差动运算放大器,其产生的输出误差失调在增益为1的情况下是很小的,可以忽略不计2。通过对图9电路的分析可以知道共模干扰信号在6R 上不产生电流,因此共模干扰也不会得到放大,这就是说在输出电压中不会出现共模干扰信号的影响。虽然如此,我们在选择仪表放大器的电阻时还是要选择高精度,温漂小的金属电阻。由图8和图9可知,diff U =s U ,将(2式代入(8式得:21514672*(*1(o

27、t R U I R R R R R =+-+(9由于系统采用AT90CAN32片内ADC ,且使用其内部的2.56V 参考电压作为ADC 基准电压源,故通过适当选择精密电阻2R 、6R 和7R 要使o U 在0到2.56V之间。模数转换部分采用AT90CAN32内部集成的10位AD 转换器来进行模拟量到数字量的转换。如图10所示。AT90CAN32芯片上集成了一个10位的逐次逼近型ADC ,ADC 与一个8个通道的模拟多路复用器连接,能对来自端口F 的8路单端输入电压进行采样, 也可以对16路差分输入电压进行采样。ADC 包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。A

28、DC 由芯片的A VCC 引脚单独提供电源,A VCC 与VCC 之间的偏差不能超过0.3±V ,标称值为2.56V 的基准电压和A VCC 都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF 引脚上加一个电容进行解耦,以更好地抑制噪声。本系统只用了通道ADC0的单端输入。系统内部及外部的数字电路都会产生电磁干扰(EMI,从而影响模拟测量的精度。为了得到较高的转换精度,可以通过以下方法来减少噪声:1 模拟通路越短越好,保证模拟信号线位于模拟地之间,并使它们与高速图10 AT90CAN32片内ADC 硬件接口切换的数字信号线分开。2 如图10所示, AVCC 应通过一个LC 网络与数字电压源V

29、CC 连接。3 使用ADC 噪声抑制器来降低来自CPU 的干扰噪声。5 智能温度传感器CAN 通信电路分析AT90CAN32单片机的CAN 总线接口为PD5、PD6,为了提高单片机对CAN 总线的驱动能力,可以用82C250作为CAN 控制器和物理总线之间的接口,以提供对总线的差动发送能力和对CAN 控制器的差动接收能力3。为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力,单片机的TXCAN 和RXCAN 引脚并不是直接和82C250的TXD 和RXD 相连,而是通 过高速光电耦合器6N137再与之连接,这样就很好的实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。6N137所使用的+5V 和5V-E 必须完全隔离

30、。电源的完全隔离采用24V 转5V 的电源模块和独立5V 的开关电源。这部分虽然增加了接口电路的复杂性,却提高了节点的稳定性和安全性,CAN 通信接口如图11所示。82C250的S 引脚上接一个斜率电阻,电阻的大小可根据总线通信速度适当调整,一般在16140 k 之间4。6 智能温度传感器的JTAG 试接口AT90CAN32单片机片内具有与IEEE 1149.1标准兼容的JTAG 接口。在设计使用中,可以通过JTAG 边界扫描功能测试PCB ,对非易失性存储器Flash 和EEPROM 、熔丝位和锁定位进行编程,可以使用 A VR Studio 环境进行片上调试(OCD 。JTAG 接口有4个

31、引脚,这些引脚组成了测试访问端口TAP 。这些引脚是:TMS :测试模式选择。用来实现TAP 控图11 CAN 通信接口图12 JTAG 调试接口制器各个状态之间的切换。 TCK :测试时钟。JTAG 操作的TCK 同步时钟。 TDI :测试数据输入。通过此引脚移位到指令寄存器或数据寄存器。 TDO :测试数据输出。自指令寄存器或数据寄存器串行移出数据。 JTAG 使能熔丝位没有编程时,4个TAP 引脚为普通I/O 引脚,TAP 控制器处于复位状态。若JTAG 使能熔丝位被编程且MCUCSR 的JTD 位清零,TAP 信号由片内上拉电阻拉高,可以通过JTAG 接口进行边界扫描和编程。当JTAG

32、 TAP 控制器不移出数据时,TAP 输出引脚(TDO 悬空,因此必须接一个上拉电阻或其他硬件以拉高电压。使能熔丝位JTAG 在芯片出厂前即已编程。对于OCD 系统,调试器还监控RESET 引脚以检测外部复位源。调试器也可以将RESET 拉低以复位整个系统。JTAG 调试接口如图12。7 智能温度传感器的电源分析本智能温度传感器使用到模拟和数字电源两个部分,此外为了增强系统的抗干扰能力,CAN 收发器的电源和MCU 电源必须采用隔离供电,作为传感器的电源部分必须具有小体积。由3.4节可知LM358采用正负电源供电,我们采用DC/DC 变换器S05ID05-1W 来实现5V 到正负5V 的转换如

33、图13,转换后的正负5V 用于模拟电路。而模拟电源和MCU 电源之间使用磁珠来实现隔离,如图14所示。硬件设计时,为了抑制高频和低频信号的干扰,在每路电源进来的时候都分别加了相应的滤波电容。 8 电路原理图设计及后期处理1. 制作电路原理图元器件库。虽然Protel 99SE 中提供了超过16000种元器件,并且有ANSI (美国国家标准学会、DEMORGAN 、IEEE 三种模式的丰富图13 电源模块图14 模拟电源和数字电源元器件库,但在实际应用中,有些新型的元器件就无法在库中找到。因此要绘制新的元器件,并建立一个元器件库,把经常使用的元器件放入其中,使应用更加方便19。2. 制作/修改P

34、CB元器件封装库。在设计PCB时会遇到元器件封装库中没有的PCB元器件封装,这同样需要创建一个新的PCB元器件封装。创建新的元器件封装主要有三种办法:利用元器件封装向导创建新、手工绘制元器件封装和编辑、修改现有的封装。PCB的元器件封装需要对PCB的机械安装结构进行检查和确认。3. 检查电路原理图。原理图一定要准确、规范,否则,在以后的工作中就会遇到一系列的问题,且难以查出。因此,设计完成电路原理图后,要检查电路原理图是否完全正确,并对原理图进行一些修饰,使其可视性更好。4. 进行电气规则测试。电气规则测试(ERC是利用Protel 99SE软件对设计的电路原理图进行测试,以便检查出不符合电气

35、规则的地方。执行检查操作后,软件会自动生成各种可能出现的错误报表,并在电路中标注出来,便于设计人员进行修改以保证PCB布线的电气性能。5. 生成各种电路原理图报表文件。在开发电子产品时,还需要一份元器件的详细清单以便采购人员进行元器件的采购。另外,在通过Protel 99SE进行电路板布线时还需要调入网络表才能工作,因此需要生成各种报表以便进行后面的工作6。9 智能传感器PCB设计在当今激烈竞争的电子市场中,由于成本指标限制,设计人员常常使用双面板。尽管多层板方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势,成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略,采用双面板。本智能传感器采用双面板布线策略。双面板分别

36、在顶层和底层敷铜,中间是绝缘基板。上下两层走线一般呈经纬方向,并利用金属化过孔(VIA使上、下两层敷铜连接,大大提高板面的利用率。9.1 元器件的布局分析在PCB设计中,元器件的布局是一个重要环节。布局结果的好坏不仅直接影响布线的效果,而且还影响传感器的性能,尤其是设计模拟电路部分,这一点尤为重要。因此可以这样认为,合理的布局是PCB设计成功的第一步。布局的方式分两种,一种是交互式布局,另一种是自动布局,一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整,在布局时还可根据走线的情况对元器件进行调整,使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后,还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图,使得PCB板中

37、的有关信息与原理图相一致,以便在今后的建档、更改设计能同步起来,同时对模拟的有关信息进行更新,使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。PCB布局主要考虑了以下方面的问题:PCB尺寸和器件坐标定位。元器件的空间冲突和PCB板的安装与固定。接插件、可调整的元器件以及接插件板等的位置摆放。完成同一功能的电路,应尽量靠近放置。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强。模拟量电路部分单独设计。在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容。尽量做到布局均衡、疏密有序。在保证上面原则能够实现的前提下,适当修改器件的摆放,使之整齐美观。这个步骤关系到PCB板的整体形象和下一步布线的难易程度,所以要好好考

38、虑。布局时,对不太肯定的地方可在布线的时候进行调整。9.2 PCB布线分析在PCB设计中,布线是完成产品设计的重要步骤,可以说前面的准备工作都是为它而做的,在整个PCB设计中,以布线的设计过程限定最高,技巧最细、工作量最大。布线的方法也有两种:自动布线及交互式布线。自动布线的布通率,依赖于良好的布局,布线规则可以预先设定,包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。下面就智能传感器的布线原则进行阐述。在自动布线之前,用交互式预先对要求比较严格的线进行布线,输入端与输出端的边线尽量避免相邻平行,以免产生反射干扰。必要时加地线隔离,两相邻层的布线要尽量互相垂直,减少寄生耦合。先进行探索式布线,

39、快速地把短线连通,然后进行迷宫式布线,先把必须布的线进行全局的布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线,并试着重新再布线,以改进总体效果。布线具体参考原则如下:电源、地线的处理既使在整个PCB板中的布线完成得都很好,但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待,把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度,以保证产品的质量。根据PCB电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向尽量一致,这样有助于增强抗噪声能力。 尽量加宽地线宽度,最好是地线比电源线宽。它们的关系是:地线>

40、;电源线>信号线,通常信号线宽为:0.30.4mm ,电源线为1.01.6 mm 。 对数字电路的PCB 用宽的地导线组成一个回路,构成一个地网来使用。 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。即大面积敷地以有效地减少EMI 电磁干扰。 模拟信号地通过接插件上的一点与信号地连接,以减少相互间的干扰,特别是地线上的噪音干扰。 晶振外壳接地,时钟线要尽量短,且不能引得到处都是。晶振电路周围要加大面积对地线敷铜,以使周围电场趋近于零,其它信号线尽量绕开走线。 尽可能采用45度的折线布线,以减小高频信号的辐射;任何信号线都不能形成环路,如不可避免,环路应尽量小;信

41、号线的过孔要尽可能少,当布线密度较高时,信号线的过孔尺寸可适当减小,但不宜过小,可采用1.0mm/0.6mm(40mil/24mil;关键的线尽量短而粗,并在两边加上保护地。智能温度传感器的PCB 的3D 仿真图如图15和16所示。具体实物参见附录的图-1和图-2所示。 9.3 信号完整性问题信号完整性(Signal Integrity 简称SI ,是指信号在信号线上的质量,是信号在电路中能以正确的时序和电压作出响应的能力。当电路中信号能以正确的时序、持续的时间和电压幅度到达IC 时,该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应时,就出现了信号完整性问题。像误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等信号

42、完整性问题,从而造成时钟间歇振荡和数据出错。信号的变化表现为IC 管脚处的电压变化,这个电压的变化使IC 的引脚发生状态变化。IC将数据或时钟作为信号送到电路板的导体或导线上,这些数据或图15 智能传感器第一层3D仿真图板图16 智能传感器第二层3D 仿真图板时钟信号必须在要求的时间内以一定的持续时间和电压到达导体或导线。当信号不能满足上述条件时,信号完整性问题就会出现21。电路板上的导线具有电阻、电容和电感等电气特性。在高频电路设计中,电路板线路上的电容和电感会使导线等效于一条传输线。传输线上的线路阻抗与外接负载不匹配会导致信号反向现象,从而引起信号完整性问题。当信号压降太大时,信号电压可能

43、不足以达到IC的开关门限,这时IC的状态就不会变化。此外,IC可能无法以恰当的时序去识别输入数据或时钟,每个IC都有一个电压门限,超过这个电压门限就可以判断IC管脚是高是低。对于IC 的输入时钟来说,该状态可决定IC的输入管脚是否已做好接收数据的准备。如果IC无法处理时钟数据,则IC输入管脚在某一状态可能为“不确定”状态19。传输线效应还会引起如下问题:过长的走线;过量电容或电感以及阻抗失配等会引起反射信号。驱动过载,走线过长会导致信号边沿失真和延迟。信号变化太快会导致过冲和下冲,损坏元器件。信号串扰。信号线距离地线越近,线间距越大,产生的串扰信号就越小。电路工作频率太高或者布局布线不合理会产

44、生电磁干扰(EMI。本电路板在布线的过程中,通过合理的规划和布局,减少了飞线;通过屏蔽干扰源,使电路板基本没有受到串扰的影响。经实验验证,电路板测试良好,运行可靠22。10 小结前面主要介绍了智能温度传感器的硬件设计,详细阐述了器件选择、电阻信号变换电路和CAN通信电路等重要部分;指出了实际绘制传感器PCB时应注意的事项以及抗干扰和信号完整性问题。在硬件设计的同时,必须兼顾软件设计。?绘制传感器PCB是一项极为重要的工作,PCB设计的好与坏直接影响到整个设计的成败和传感器的性能。尤其是设计仪表放大器部分的PCB。由上面分析不难看出,该电路还是存在很多缺陷,其中主要的问题就是恒压电路的电压不恒定

45、就会造成很大的误差,严重时会直接影响到后面的AD转换的质量;为此提出如下图改进:这就完成“设计”了吗?硬件总电路图呢?软件设计更是空白! 如上图,采用电压跟随器来保持电压的稳定恒定。参考文献1 塞尔吉欧佛朗哥著,刘树棠译. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计. 西安:西安交通大学出kok电子竞技社,2004,6770,1922152 Ramon Pallàs-Areny 著,张伦译. 传感器和信号调节. 北京:清华大学出kok电子竞技社,2003,1415,7478,128130,4154163 支超有,高亚奎. 基于CAN网络化智能传感器的设计与实现. 测控技术,2006年第25卷第3期. 21234

46、 马延. 基于CAN现场总线网络智能传感器系统的研究和应用. 上海:上海大学测试计量技术与仪表,20025 彭元修. 基于CAN总线的数据采集与控制系统研究. 上海:上：Ｊ麓笱,电力电子与电力传动,20056 肖玲妮. Protel 99 SE 印刷电路板设计教程. 北京:清华大学出kok电子竞技社,2004附录: PT100/PT1000 铂电阻 RT 曲线图表 PT100 分度表 -50 度 80.31 欧姆 -40 度 84.27 欧姆 -30 度 88.22 欧姆 -20 度 92.16 欧姆 -10 度 96.09 欧姆 0 度 100.00 欧姆 10 度 103.90 欧姆 20 度 10

47、7.79 欧姆 30 度 111.67 欧姆 40 度 115.54 欧姆 50 度 119.40 欧姆 60 度 123.24 欧姆 70 度 127.08 欧姆 80 度 130.90 欧姆 90 度 134.71 欧姆 100 度 138.51 欧姆 110 度 142.29 欧姆 120 度 146.07 欧姆 130 度 149.83 欧姆 140 度 153.58 欧姆 150 度 157.33 欧姆 160 度 161.05 欧姆 170 度 164.77 欧姆 180 度 168.48 欧姆 190 度 172.17 欧姆 200 度 175.86 欧姆 老师意见： 老师意见：

48、 1.文章题目不错，本是一个不错的选题。 文章题目不错 1.文章题目不错，本是一个不错的选题。大有施展写作的空 文章的核心是 分析” 改進” 为什公要 改進” 间。 文章的核心是 分析” “改進” 为什公要 改進” “ 和 。 “ ？ 如何“改進” 通篇文章没交代，令人莫明其妙！ 又如何“改進”？ 通篇文章没交代，令人莫明其妙！大 部分内容都是对传感器元器件的介绍。 那有“设计” 部分内容都是对传感器元器件的介绍。 那有 设计” 改 “ 、 “ 的意思？文不对题。 進”的意思？文不对题。 整篇文章相信你自己都没搞明白， 2. 整篇文章相信你自己都没搞明白， 又如何能作为你的论文 上交呢？若

49、自己觉得写 设计” 论文能力 可以写 综述” 觉得写“ 能力， 可以写“综述” 上交呢？若自己觉得写 设计” 论文能力， “ “ 论文！但要多找找资料 多找找资料， 要努力勤奋，不会太难的。 论文！但要多找找资料，只要努力勤奋，不会太难的。比 的现状与发展” 单片机的应用及发展前景” 如 PLC 的现状与发展” 单片机的应用及发展前景” 综 “ 、 “ 、 “ 述变频器的应用” 稳压器的发展趋势” 等等。 述变频器的应用”“稳压器的发展趋势” 等等。仅供 、 参考。抓紧时间还來得及！ 参考。抓紧时间还來得及！ 你若要保留本文，建议把题目改为“浅析一种智能温度 若要保留本文，建议把题目改为“ 留本文 传感器硬件电路 更好些。内容要 电路” 硬件分析” 传感器硬件电路” 更好些。内容要以“硬件分析”为主要 内容，文章还要作進一步修改 补充和完善。 要作進一步修改、 内容，文章还要作進一步修改、补充和完善。 目录” 页码” 3. 缺“目录”“页码”“ 结束语”“ 致谢” 等。请认真 、 、 结束语” 、 致谢” 注意论文格式，否则扣分十分严厉！ 十分严厉 注意论文格式，否则扣分十分严厉！ 老师意见不一定对，仅供参考。主意还由你自己决定。 老师意见不一定对，仅供参考。主意还由你自己决定。