基于AD8276的电流源及角度传感器在农机中的应用

广州中海达卫星导航技术股份有限公司　宾显文　陈　伟　林钦坚　管明源

基于AD8276的电流源及角度传感器在农机中的应用

广州中海达卫星导航技术股份有限公司宾显文陈伟林钦坚管明源

介绍一个基于低功耗、宽电源电压范围、单位增益差动放大器AD8276与AD8605组成的恒流源系统和高精度角度电阻式角度传感器在精准农业机械自动导航耕种中的解决方案。文中给出了AD8276与AD8605的电路设计原理，并且通过相关电路仿真以及实际电路测试得出如下结论：高精度角度电阻式传感器旋转角度与基于AD8276电流源硬件采集电路输出电压成正线性相关，其回归方程为A=72Vo-1.055e-5，线性相关系数是0.9978。

精密机械农业；角度传感器；自动导航；AD8276；AD8605

0　引言

中国是一个农业大国，而农业是一个国家的根基产业。精准农业则代表着一个国家农业的发展方向和未来。精准农业的概念精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得更好经济效益和环境效益。为了能达到精准农业的目的，农机自动导航耕种技术应运而生。

1　系统框图

在农机自动导航耕种技术中，精准地控制农业大型机械在农田中精准地耕种是重点难题。在整个系统中需要运用GPS、GIS及传感器等现代化技术。利用ADI公司的低功耗、宽电源电压范围、单位增益差动放大器AD8276和精密、低噪声、CMOS、轨到轨输入/输出运算放大器AD8605设计的恒流源对电阻式角度传感器电阻进行测量。利用AD7176对该模拟量进行采集后将信号传送给CPU进行相关处理，形成闭环反馈对机车进行控制，同时结合GPS定位信息达到自动导航精准耕种的目的。

图1.1　机车控制闭环反馈部分系统

如图1.1所示，在整个机车控制系统中，恒流源为角度传感器提供电流，角度传感器的模拟变量经过电压跟随器后由AD转换模块采集后，以数字信号（SPI接口）的形式发送给CPU处理，经过相关解算后CPU通过液压阀驱动IC控制农业机车，从而达到闭环反馈的目的。这一部分硬件系统的设计难点在于恒流源电路设计。

2　硬件设计

AD8276为通用型单位增益差动放大器，主要用于在高要求高性能、低功耗的应用中实现精密信号调理。它在将供电轨以外的信号进行放大时，提供极为出色的共模抑制比（86dB）和高带宽。片内电阻经过激光调整，以获得出色的增益精度和高共模抑制比（CMRR），且增益随温度漂移极低。

AD8605是单路、双路和四路、轨到轨输入和输出、单电源放大器，具有极低失调电压、低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽等特性。这个放大器采用ADI公司的DigiTrim®调整专利技术，无需激光调整便可达到出色的精度。

低失调、低噪声、极低的输入偏置电流和高速度特性相结合，使这些放大器适合各种应用。滤波器、积分器、光电二极管放大器和高阻抗传感器等器件均可受益于这些特性组合。宽带宽和低失真特性则有益于音频和其它交流应用。具体应用包括光学控制环路、便携式和环路供电仪器仪表以及便携式设备的音频放大。

在精准农业中，农机经常工作在非常恶劣的环境中，温度偏差大。选用的器件不仅要求具有汽车级工作条件，而且还需要具有温度漂移低等特点。利用低功耗差动放大器AD8276和运算放大器AD8605构建的电流源，不仅经济、灵活、小巧，而且初始误差、温度漂移和功耗等性能也都非常出色。图2.1是电流源硬件设计原理图。

图2.1　恒流源硬件设计原理图

本系统所使用的电阻式角度传感器为美国BEIsensor的某系列传感器，该传感器的阻值为5KΩ±20%，线性精度为±2%，有效旋转角度为85°±2°，机械旋转角度为130°。此角度传感器安装在机车前轮的连杆上，以便准确地测量机车旋转的角度。A/D转换采用的是分辨率24位，数据输出速率最大为250Ksps，Σ-Δ型且内部具有基准源为2.5V 的ADI芯片AD7176-2，。为了满足AD7176-2的模拟量采集范围，电流源的电流输出设计为5mA，则AD7176-2的所采集的实际电压为0～2.5V，满足实际使用要求。

如图1.2.1所示基准电压REF_1.25V加在AD8276的同相输入端，该电压控制输出电流量IO。AD8276的反相输入端则直接接地。该器件内置四个40KΩ激光调整电阻，分别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连。由于AD8276的内部电阻严格匹配，输出电流计算公式可简化为下式。

（1）VLOAD= IO×R必须在运算放大器AD8605的输入范围0～5V内。

（2）VOUT= IO×（R1+ R）必须在AD8276 SENSE引脚电压范围内：2（-Vs）-0.2V至2（+Vs） -3V。

（3） IO×（R1+ R） + 2（-Vs） -0.2V至2（+Vs） -3V必须在AD8276输出电压范围内：-Vs + 0.2V至+Vs -0.2V。

经过计算，电路设计满足以上三点要求。

图3.1　电流源电路仿真图

3　电路仿真及测试

为了验证电路设计的可行性，利用PSpice仿真软件对电流源电路进行相关仿真。仿真结果满足设计要求，如图3.1所示。

其中，横坐标为角度电阻式传感器输出阻值R，纵坐标为电流源硬件电路输出电压值。由角度电阻式传感器特性可知，角度电阻式传感器旋转角度与其输出阻值成线性相关，线性精度为±2%。又该仿真结果表明，角度电阻式传感器输出阻值R与电流源硬件电路输出电压值呈线性关系且正相关。因此，可以推断出角度电阻式传感器旋转角度与电流源硬件电路输出电压值呈线性相关。

利用上位机对实际电路板进行测试，分别对采样点进行多次相同条件的数据采集，取平均值后得到的输出电压与传感器的角度值测试结果如图3.2所示。

利用OriginPro 8软件对测试结果进行数据处理，得到如下结论：角度电阻式传感器旋转角度与基于AD8276电流源硬件采集电路输出电压成正线性相关，其回归方程为A=72Vo-1.055e-5，线性相关系数是0.9978。在实际电路工作时，由于供电电源、电磁场、环境温度等因素的影响导致一定误差，但在实际应用中，不会对角度值的准确性造成影响。测试结果表明Vo与A具有非常好的相关性，基于AD8276电流源的硬件检测电路能够实现对角度电阻式传感器角度的准确测量。

4　结语

本文设计了一个应用与精准农业机械自动导航耕种中的机械设备精准角度测量的解决方案。该电路方案是由低功耗、宽电源电压范围、单位增益差动放大器AD8276与AD8605组成的恒流源系统和高精度角度电阻式角度传感器组成。通过对设计电路的仿真和大量数据实际测试表明，基于AD8276电流源的硬件检测电路输出电压值与该电阻式角度传感器输出角度具有非常好的相关性，该电路能够实现对角度电阻式传感器角度的精确、稳定测量。

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宾显文，男，毕业于桂林电子科技大学，硬件研发工程师，主要从事嵌入式硬件平台研发工作。

陈伟，男，毕业于桂林电子科技大学，技术经理，主要从事嵌入式硬件平台研发工作。

林钦坚，男，毕业于广东工业大学，硬件研发工程师，主要从事嵌入式硬件平台研发工作。

管明源，男，毕业于桂林电子科技大学，硬件研发工程师，主要从事嵌入式硬件技术研发工作。