１系统总体方案
为提高系统输出信号的精度，采用低速、高精度的ＤＡＣ。此类ＤＡＣ多采用ＳＰＩ或ＩＩＣ总线与主控制器通信，占用控制器的ＩＯ口较少。时下流行的ＳＴＭ３２系列或ＭＳＰ４３０系列微控器的硬件资源都满足要求。为便于野外现场使用，系统采用锂电池供电，这就要求主控制器具有较低的功耗以延长电池续航时间，以极低功耗著称的４３０单片机成为首选。由主控制器、时钟电路、复位电路构成了主控制器的最小系统。系统硬件总体框图如图１所示。按键和气象量显示模块主要实现人机交互功能，用来调节输出信号的大小，设置气象量和电信号之间的转换关系等。根据气象传感器输出信号的范围，可设定若干档位的输出信号，以覆盖传感器的范围即可。按键接在４３０单片机的中断口上。显示模块的控制和数据总线由单片机的ＩＯ口来提供。ＤＡＣ模块是产生电压信号的核心。主控制器将数字量送给ＤＡＣ后得到模拟电压信号，为使产生的信号和传感器范围一致，ＤＡＣ的输出信号需进行调理。数字系统和电源都会对模拟部分产生干扰，引起误差。采用ＤＣ－ＤＣ电源隔离、ＤＡＣ总线隔离提高ＤＡＣ输出信号的精度。输出电信号和气象量之间存在转换关系，转换函数存储于ＥＥＰＲＯＭ芯片中。为进一步提高精度，系统也需要定期检定。采用零满刻度校准的方法，用高精度的数字万用电表测量输出信号的实际值，将实际值和理想值的差值保存于ＥＥＰＲＯＭ中，系统根据差值去修正输出信号，差值和转换函数都通过串口由上位机写入存储电路中。软件补偿切实提高了系统的稳定性和精度。
２模块电路设计
２．１主控制器端口分配及人机交互模块
主控制器选择ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０Ｆ１６９，利用其丰富的中断作为按键输入，内部自带的ＵＡＲＴ模块实现串口通信，采用ＩＯ口模拟ＳＰＩ总线与ＤＡＣ通信，低功耗的１２８×６４ＬＣＤ用于显示输出信号大小及对应的气象量。主控制器的最小系统及端口分配如图２所示。主控制器的Ｐ１．０～Ｐ１．３接按键，采用中断方式。４个按键的功能包括：调节电信号和气象量之间的转换关系键ＳＥＴ、增大和减小输出信号键ＵＰ和ＤＯＷＮ、确认保存参数键ＥＮＴＥＲ；Ｐ３．０～Ｐ３．３端口的ＲＳ、ＲＷ等为ＬＣＤ的控制总线；Ｐ５．０～Ｐ５．７为ＬＣＤ的数据总线；Ｐ３．６～Ｐ３．７为单片机部自带的ＵＡＲＴ模块的收发端口，用于串口通信；Ｐ４．０～Ｐ４．２作为ＤＡＣ的ＳＰＩ总线；Ｐ４．３～Ｐ４．６用于存储器的总线。ＴＤＯ／ＴＤＩ～ＴＣＫ为单片机的下载口。Ｐ６．０端口ＭｅａＶ为单片机内部自带的ＡＤＣ模拟输入通道，用来监测系统电源。晶振Ｘ２和电容Ｃ１、Ｃ２构成时钟电路，电阻Ｒ８和电容Ｃ３构成上电复位电路。
２．２模拟信号产生ＤＡＣ模块
为产生程控的高精度电压信号，采用高精度的数模转换芯片，辅以总线隔离、电源隔离等措施提高精度。工艺上采用四层印制板电路。产生的信号为微伏级，选用１６位的低功耗、单通道电压输出型ＤＡＣ芯片ＡＤ５６６０，满量程输出电压范围可达２．５Ｖ。软件编程模拟ＳＰＩ总线与主控制器通信。ＡＤ５６６０内部硬件结构如图３所示，主要由数字量输入寄存器、电阻串型ＤＡＣ、基准源、输出缓冲放大电路组成。由图３可知，ＡＤ５６６０内部含有一个增益为２的放大器。设Ｄ为载入ＤＡＣ寄存器的二进制编码的十进制等效值，则输出电压ＶＯＵＴ的大小为１６位的ＡＤ５６６０－１内置１．２５Ｖ的基准电压，输入数字量Ｄ的范围为０～６５５３５。根据式（１），输出电压ＶＯＵＴ的范围为：０～２．５Ｖ。采用总线隔离和电源隔离措施，以提高输出电压的精度。ｉＣｏｕｐｌｅｒ技术的四通道数字隔离器ＡＤＵＭ１４０１具有优于光耦合器的出色性能［４］，系统利用ＡＤＵＭ１４０１作为ＤＡＣ模块的ＳＰＩ总线数据转换器，使ＡＤ５６６０的总线与主控制器完全隔离。同时，采用ＤＣ－ＤＣ芯片ＭＥＢ０１Ｚ－０５Ｓ０５Ｄ为信号产生部分提供独立电源。ＭＥＢ０１Ｚ－０５Ｓ０５Ｄ的输出功率可达到１Ｗ，且其具有极低的纹波，Ｖｐ－ｐ≤１０ｍＶ。其电路如图４所示。
２．３信号调理电路
湿度传感器输出信号为０～１Ｖ，气压传感器设置于模拟模式时，输出电压为０～５Ｖ，而总辐射传感器的输出信号十分微弱，小于３０ｍＶ。ＤＡＣ输出信号需要经过调理电路，产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。这里以产生０～３０ｍＶ的微弱电压信号为例，设计其信号调理电路如图５所示。
２．４参数存储及串口构成软件补偿电路
除采用总线隔离、电源隔离、低温度系数电阻、低失调电压运放等提高系统输出信号的精度外。设计参数存储和串口通信电路，利用软件来对信号输出进行校准，进一步提高输出信号的精度。软件补偿的思路是采用零满刻度校准法，用高精度的６１／２位数字万用电表测量系统在零点和满量程时的实际输出，并记录与理想值的偏差。上位机通过串口将偏差值写入到存储器中。系统每次进行Ｄ／Ａ转换之间先读取存储器中的偏差值，并调整单片机送给ＤＡＣ的数字量，使输出信号接近理想值。偏差值存储于ＥＥＰＲＯＭ中，如图６所示。同时，气象量和电信号之间的转换函数关系也存储于ＥＥＰＲＯＭ中。ＭＳＰ４３０Ｆ１６９内部自带了ＵＡＲＴ模块，只需在外围辅以常用的ＭＡＸ２３２构成电平转换电路即可与上位机通信。
３系统软件电路设计
系统任务主要包括时钟初始化、ＬＣＤ的初始化、信息显示、系统电源电量显示、软件校准、按键切换输出档位等。根据各功能模块，确定系统的软件设计流程和中断服务程序功能。主程序主要完成初始化工作；电量检测需定期进行，故在定时中断服务程序中完成；档位切换和信息显示等在外部中断服务程序中实现；校准参数和转换函数通过串口的中断服务程序由上位机写入ＥＥＰＲＯＭ中。系统主程序流程如图７所示。输出信号大小的调整由按键中断服务程序实现，图８为ＵＰ键按下时的服务程序流程。
４系统测试
为提高系统精度，ＰＣＢ采用４层印制板。中间２层为ＧＮＤ和隔离后的电源。利用高精度的６１／２位数字万用电表对系统进行零满刻度校准。校准步骤如下：（１）设定输出值为０ｍＶ，利用万用电表测量此时的实际输出电压值Ｖ１；（２）将Ｖ１通过串口调试助手写入下位机，单片机根据Ｖ１计算零点偏差，并保存于ＥＥＰＲＯＭ中；（３）设定输出值为３０ｍＶ，利用万用电表测量此时的实际输出电压值为Ｖ２；（４）将Ｖ２通过串口调试助手写入下位机，单片机根据Ｖ１，Ｖ２，计算线性校准函数的斜率和截距，并保存于ＥＥＰＲＯＭ中。系统校准后，再通过按键切换输出档位，并用万用电表测量实际输出值，测试结果如表１所示。结果表明，系统经过软件校准后，输出微弱电压信号的误差小于１０μＶ。但通过高速的数据采集卡测量，系统瞬时值存在８０μＶ的抖动。分析其原因是由于万用电表测量时进行了滑动平均处理，测量值为短暂时间的平均值，抖动被抵消。经过反复测试和分析得知，虽然采用４层ＰＣＢ在硬件上减小了干扰，但空气中的电磁场仍然在ＰＣＢ板上形成了干扰。整个ＰＣＢ需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的电磁环境下测试。
５结束语
在气象检定业务中，经常需要模拟气象传感器产生一个相同范围、更高精度的微弱直流电压信号作为标准信号。系统通过高精度ＤＡＣ、低失调电压运放、总线隔离、低纹波电源隔离、极低温度系数精密电阻、多层ＰＣＢ、软件补偿等措施设计了一个产生微弱直流电压信号的电路。所设计的系统通过高精度的万用电表测试，结果表明，系统直流电压信号误差小于１０μＶ，通过外置屏蔽罩以减小外界电磁场干扰。仪器的计量检定置身于良好的屏蔽环境中，将会进一步改善系统性能。
作者：徐伟 行鸿彦 单位：江苏省气象传感网技术工程中心 南京信息工程大学
