数据采集系统中自动校准技术的研究

胡轶群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，杨子原

（国家海洋技术中心，天津300112）

数据采集系统中自动校准技术的研究

胡轶群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，杨子原

（国家海洋技术中心，天津300112）

为使海洋观测设备在室外恶劣环境条件下仍可实现高可靠性、高准确性的自动数据采集，从而实现无人管理工作，介绍了数据采集系统的自动校准技术，即通过一个校准输入通道，产生两个高精度的基准信号，用软件的方法对模拟测量通道进行校准，以保证测量准确度。此技术已经过实验论证，并在海洋监测、气象、环保等方面取得了广泛的应用。要保证自校准电路正常工作，选择一个高稳定性基准源，是本设计的一个关键因素，要求基准源必须具有高精度、低温度系数和高稳定性。

数据采集；自动校准；基准信号

随着海洋观测技术的发展，以单片机为核心的数据采集系统已经在海洋观测领域占据越来越重要的地位。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是以传感器技术、信号测量与处理技术、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用型技术，是获取信息的基本手段。为使海洋观测设备在室外恶劣环境条件下仍可实现高可靠性高准确性的自动数据采集，从而实现无人管理工作，本文介绍了数据采集系统的自动校准技术，此技术已经过实验论证，并在海洋监测、气象、环保等方面取得了广泛的应用。

1 自校准方法的工作原理

图1 数据采集系统总体电路结构图

如图1，数据采集模块是数据采集系统的核心模块，完成各个传感器数据和采集器工作状态的采集、数据校准、数值计算、数据的分析处理、数据存储、数据通讯并控制管理系统中其他模块的工作。

数据采集系统中，前向模拟通道的各个部件，包括信号调理电路和模数转换电路（ADC）都会在不同程度上给测量结果带来误差，而且由于电路自身的漂移，该误差会随着温度和时间而漂移。要保证数据采集系统在全温度范围的测量准确性，必须在技术上解决电路漂移的影响。

模拟测量系统的误差分为零点误差、增益误差（满度误差）和非线性误差三种类型。一般集成运算放大器和模数转换器通常都具有优异的线性度，例如24位模数装换器AD7714的非线性误差为±0.0015﹪。但是模拟测量系统的零点和增益误差是随时间和温度变化的，难以通过一次设备标定永久解决问题。

为保证测量准确度，本文提出在数据采集系统中采用自校准电路：通过一个校准输入通道，产生两个高精度的基准信号，用软件的方法对模拟测量通道进行校准，工作原理如图2所示。

图2 n通道自校准模数转换原理框图

2 自校准技术的硬件实现及软件流程

自动校准部分模拟电路如图3所示：

图3 自校准模拟通道电路图

高稳定性基准源输入的电压VREF在电阻上所得分压与ADC输出的二进制数A之间存在线性关系：V=K*A+B，其中K、B为待定系数。当S0与S1接通，V值为VREF在电阻R4上的分压：VL=VREF*（15/4096），通过ADC得读数为A1；当S0与S2接通，V值为VREF在电阻R2上的分压：VH=VREF*（4081/4096），ADC 读数为 A2；由上可得待定系数K与B的值。当系统所处环境温度发生变化或时间变化时，VL、VH发生相应变化，此时可根据线性关系V=K*A+B，随时校准系数K、B的值，实现模拟通道测量的实时校准。

基准电压源进入带校准功能的模拟开关MAX4539。模拟开关利用激光微调技术在内部集成了高精度的电阻分压网络，分压比精度高达0.002%，可为ADC提供进行零点校准和增益校准所需的两路高精度标准信号。

图4 MAX4539内部结构图

MAX4539的内部结构如图4所示。它是在一个普通8通道CMOS模拟开关的基础上增加了一个电阻分压网络，分压网络将外部输入的基准电压分压后经过选择开关送往多路器输出端。译码电路将控制信号及地址信号译码后控制内部开关，实现输入通道选择。

MAX4539与CPU接口非常简单，CPU通过控制引脚CAL和地址引脚A0～A2进行通道选择。当CAL为低电平时，相当于一个普通8选1模拟开关，通过地址A0～A2可分别选择8个模拟输入通道。当CAL为高电平时，通过A0～A2可分别选择低校准信号15/4096(VREFHI-VREFLO)和高校准信号4081/4096(VREFHI-VREFLO)，用于ADC的校准。

对任意模拟量通道进行数据采集之前，首先进行低校准信号和高校准信号的数据采集，实时计算出当前信号调理电路和模数转换电路（ADC）的零点和增益，然后进行所选模拟通道的数据采集并校准，从而解决了系统的时间漂移和温度漂移。具体校准过程如图5所示。

图5 数据采集自动校准流程

3 高稳定性的基准电压源的选择

由上可知，要保证自校准电路正常工作，选择一个5 V的高稳定性基准源，是本设计的一个关键因素，要求基准源必须具有高精度、低温度系数和高稳定性，本系统选用MAX6350，其主要优势如下：

（1）初始精度高。MAX6350芯片的初始精度为±0.02﹪，5 V基准的准确范围是4.999～5.001 V，在满量程时最大误差为0.001 V，完全符合一般数据采集系统的测量指标。

（2）驱动能力强。大多数应用都需要电压基准源为负载供电，要求基准源有能力提供负载所需的电流。文中提及的MAX6350可提供15 mA的供出和吸入电流。

（3）温度漂移小。MAX6350温度系数为1 ppm/℃，以数据采集器工作温度-30～+50℃共计80℃的范围内，基准源的变化范围ΔV=1ppm/℃×5V×80℃=0.000 4 V，即满量程测量时最大误差为0.000 4 V，完全符合一般数据采集系统的测量指标。另外，芯片温漂是可重复性的误差，是一个可校准的系统偏差。通过MAX6350的温度特性曲线和使用单片机的片内温度传感器测量电路板的温度，可以实现这一误差的修正，这为以后系统提高测量精度提供了基础。

（4）低噪声。噪声通常是随机热噪声，对于低噪声应用MAX6350是很好的选择，其噪声性能为3μVp-p。与数据采集器的测量指标相比可忽略。

（5）长期稳定性。该参数定义为基准电压随时间的变化，是电路能否长期保持高精度测量的关键。MAX6350具有较好的长期稳定性，其长期稳定性指标为30 ppm/1 000 hr。转换成电压的变化为0.000 15 V。

4 结语

数据采集器工作在恶劣的海洋环境，尤其在室外安装使用时，环境温度变化及时间变化引起的误差不容忽视，所以必须采取措施解决电路的温漂、时漂问题，保证测量准确度。本文中提出采用自校准电路来保证测量精度，经实验证实，在数据采集系统中采用自校准电路的确可以实现实时校准，从而保证了测量的高精度，实现了低功耗、高可靠和适应室外恶劣环境的设计目标。

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Research on Automatic-calibration Technology in Signal Processing System

HU Yi-qun,XU Jun-chen,DU Yu-jie,LI Guan-yu,QIU Wen-bo,YANG Zi-yuan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

In order to actualize self-management,the research on automatic-calibration technology in the signal processing system was discussed.Two high precision benchmark signals were brought through one calibration input channel.In order to guarantee the measure nicety,a set of software to calibration for the simulation measure channel was programmed.This technology has been demonstrated according to the experimentation and obtained application abroad in various aspects.A high-stabilization benchmark is a key in this design.

signal processing;automatic-calibration;benchmark signal

P716，TP274

B

1003-2029（2012）01-0021-03

2011-07-10

胡轶群（1981-），工程师，主要从事单片机硬件设计及软件编程。