基于FRAM的海水深度記錄儀
[導(dǎo)讀]設(shè)計(jì)了一種以鐵電存儲器FM20L08為非易失性存儲器，C8051F020為數(shù)據(jù)采集核心的海水深度自動測量儀。
摘要: 設(shè)計(jì)了一種以鐵電存儲器FM20L08為非易失性存儲器，C8051F020為數(shù)據(jù)采集核心的海水深度自動測量儀。
關(guān)鍵詞： 海水深度測量;FM20L08;C8051F020
引言
海洋的深度是海洋水體的一個(gè)重要參數(shù)。知道海洋的深度，就可防止海面航行的船只擱淺、觸礁。潛艇在海底活動時(shí)，測量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索，可使對方的訊號接收儀器收不到潛艇發(fā)出的噪音。在筆者所做的一個(gè)課題中，直升飛機(jī)從空中投擲測量儀器到海表面，儀器從海表面下沉至海底后，自動上浮至海水表面。該項(xiàng)目要求研制一個(gè)海水深度記錄儀，記錄上述過程中測量儀器在海水中的深度變化。測量儀器自動上浮至海面后，打撈并回放測量數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)要求每秒采樣100次，具有非易失性。測量數(shù)據(jù)通過串口向PC機(jī)回放。
測量的基本原理如下式所示：
P=rgh+P0 (1)
其中P是指儀器所受到的絕對壓力，r是指海水密度(常數(shù))，g是指當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?常數(shù))，h是指儀器下降的深度，P0是指當(dāng)時(shí)的大氣壓力(短時(shí)間認(rèn)為恒定)。所以，只要測出儀器受到的壓力，根據(jù)式(1)就很容易計(jì)算出儀器下降的深度。儀器在海水中的位置越深，受到的壓力越大。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，海水的深度數(shù)據(jù)采集頻率要求至少100Hz，連續(xù)采集時(shí)間為5分鐘以上。以分辨率為12位的ADC計(jì)算，一次采集的數(shù)據(jù)量至少為2×100×5×60=60000B。針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大、速度快、爆發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用如下總體設(shè)計(jì)方案：主控制器采用了美國Silicon Laboratories公司的高性能微控制器C8051F020。它具有與8051完全兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用高速流水線結(jié)構(gòu)(25 MIPS)，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為1~2 時(shí)鐘周期;具有64 KB可在系統(tǒng)編程FLASH 和大容量內(nèi)部SRAM，具有外部存儲器接口。非易失性存儲器采用美國Ramtron公司的FM20L08鐵電存儲器。與其它類型的非易失性存儲器相比，FRAM鐵電存儲器具有讀寫次數(shù)多、讀寫速度快、功耗低、無延時(shí)和不用擦除寫操作的特點(diǎn)，在功能上可以完全替代SRAM。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
電源
電源部分使用三節(jié)普通AAA電池供電。經(jīng)升壓管理芯片MAX756升壓至5V后，給基準(zhǔn)源、放大器和壓力傳感器供電。5V電源通過低電壓LDO管理芯片TPS79333變換成3.3V后，給CPU、串口收發(fā)芯片及FM20L08供電。
信號調(diào)理電路
信號調(diào)試電路如圖2所示。
圖2 信號調(diào)理電路
雖然C8051F020內(nèi)部有2.43V的基準(zhǔn)電壓源。但是測試結(jié)果表明其輸出電壓隨溫度波動較大，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了提高測量精度，系統(tǒng)采用了Maxim公司的低溫漂電壓基準(zhǔn)芯片MAX6325，MAX6325是低溫度系數(shù)(<1ppm/°C)、低噪聲(1.5mVp-p)的電壓基準(zhǔn)，它具有±0.02% 初始精度，是高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。由于壓力傳感器的輸出電壓范圍是DC1~5V，而MAX6325輸出的電壓基準(zhǔn)是2.50V。因而必須對壓力傳感器輸出電壓進(jìn)行衰減，以達(dá)到和基準(zhǔn)電壓的匹配。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能最簡單的方法是直接用兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，但是由于傳感器具有一定的輸出阻抗，直接匹配分壓電阻相當(dāng)于將傳感器輸出阻抗與這兩個(gè)電阻并聯(lián)，會造成輸入A/D的采樣電壓不準(zhǔn)確。正確的方法是在壓力傳感器的輸出之后加一級運(yùn)算放大器增加輸入阻抗，再在運(yùn)放的輸出級并聯(lián)分壓電阻。考慮到系統(tǒng)只有5V電壓并且傳感器的輸出電壓在1~5V之間，同時(shí)也為了減少器件的數(shù)目，縮小占板面積，運(yùn)算放大器選用了OPA340。OPA340是單電源軌至軌輸入和輸出運(yùn)算放大器。OPA340的工作電壓可低至2.5V，它允許的最低輸入為-500mV，最高輸入為可高于電源500mV。它具有良好的動態(tài)效應(yīng)，靜態(tài)電流僅為750mA。壓力傳感器的輸出電壓經(jīng)OPA340和分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行1/2分壓后，送C8051F020的片內(nèi)12位A/D進(jìn)行信號采集。
數(shù)據(jù)存儲
對于針對突發(fā)數(shù)據(jù)的記錄儀、高速存儲測試設(shè)備等，其數(shù)據(jù)的高速存儲和掉電不丟失成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，Ramtron公司推出的FM20L08鐵電存儲器彌補(bǔ)了現(xiàn)有鐵電存儲器存儲量小的缺點(diǎn)，其數(shù)據(jù)存儲量達(dá)1Mb(128KB)，可完全代替標(biāo)準(zhǔn)異步靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)，具有可隨機(jī)讀寫芯片內(nèi)任何一字節(jié)的特性。FM20L08非易失性鐵電存儲器可無限次讀寫，掉電后數(shù)據(jù)可保存10年，工作電壓為3.3V，最大功耗電流為22mA，采用32引腳TSOP型封裝。FM20L08增加了軟件控制寫保護(hù)功能，存儲序列按地址排成8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都能通過軟件單獨(dú)設(shè)置寫保護(hù)。 在對海水深度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄時(shí)，為了更好地了解儀器在水中深度變化的過程，必須有高速的數(shù)據(jù)采集和大量的數(shù)據(jù)存儲作保證。鐵電存儲器的高速寫入和掉電數(shù)據(jù)不丟失特性完全適合此類情況，可以對物體在海水中的下降過程進(jìn)行完整地記錄。圖3示出C8051F020與FM20L08的接口電路。
圖3 FM20L08與C8051F020的接口電路
C8051F020使用高位端口(P4~P7)與FM20L08進(jìn)行接口。FM20L08新增內(nèi)部電壓監(jiān)控器驅(qū)動LVL(Low Voltage Lockout)信號，它接至MCU的INT0，用于監(jiān)控電源的供電情況，當(dāng)電源電壓下降到臨界值以下時(shí)，LVL引腳輸出低電壓信號，顯示電路處于寫保護(hù)狀態(tài)，在MCU的INT0中斷服務(wù)程序中復(fù)位MCU，這樣存儲器可以自動阻止誤讀寫和防止存儲頁面數(shù)據(jù)的破壞。FM20L08的片選信號是由C8051F020的讀寫信號相與來控制的，只要讀寫信號任何一個(gè)變低，則片選信號有效。C8051F020的最大尋址空間為64K，而要求它能夠訪問128KB的地址空間，最簡單有效的方法就是使用一個(gè)I/O位控制FM20L08的地址線A16。當(dāng)A16 為0是選擇FRAM的前半部分,當(dāng)A16為1時(shí),選擇FRAM的后半部分。
在存儲程序設(shè)計(jì)中，程序應(yīng)首先判斷儀器在下降時(shí)A/D的輸入信號值是否大于門限值，只有輸入信號值大于門限值才將數(shù)據(jù)存儲在存儲單元內(nèi)，在測量儀器由海底上浮至將要接近海面時(shí)關(guān)閉鐵電存儲器，停止數(shù)據(jù)存儲。
利用軟件實(shí)現(xiàn)16位精度的A/D轉(zhuǎn)換
系統(tǒng)使用C8051F020內(nèi)部的12位ADC采集壓力數(shù)據(jù)。但壓力傳感器需要測量較大的動態(tài)范圍(0~700m)，還要求對小于2cm深度變化作出響應(yīng)。這樣片內(nèi)12位ADC的分辨率將無法滿足要求，需要使用16位ADC提高測量分辨率。在系統(tǒng)的采集方案中，使用了C8051F020片內(nèi)自帶的12位ADC并采用過采樣和求平均值技術(shù)達(dá)到了16位分辨率進(jìn)行深度測量的目的，并未使用昂貴的片外16位ADC，這樣既節(jié)省了成本，也減少了軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。
為了增加有效位數(shù)，壓力必須被過采樣(即ADC以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對信號進(jìn)行采樣)。所需要的采樣頻率由系統(tǒng)對壓力測量所要求的頻率決定。每增加一位分辨率，信號必須以4倍的速率過采樣，即
fOS=4W·fS (2)
其中W為希望增加的分辨率位數(shù);fs為初始采樣頻率要求;fos為過采樣頻率。
具體到本例基本原理簡述如下，假設(shè)系統(tǒng)每秒輸出100個(gè)壓力值，即每10ms內(nèi)必須采集一個(gè)壓力值。為了將測量分辨率增加到16位，則必須以100×256Hz的采樣頻率對壓力傳感器進(jìn)行采樣。為此，在10ms內(nèi)先集中采集256個(gè)樣本，然后將這256個(gè)樣本累加，然后將總和除以16。這樣得到的結(jié)果便是一次采樣的16位有效數(shù)據(jù)，然后MCU便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲，并開始下10ms的樣本采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用這種方法可明顯地提升壓力采集的精度。可以有效地消除系統(tǒng)測量的白噪聲，改善信噪比。
結(jié)語
經(jīng)過驗(yàn)證，海水深度記錄儀的設(shè)計(jì)是可行的，經(jīng)過海上實(shí)驗(yàn)與實(shí)際水深測量值相比，誤差在2cm 以內(nèi)。圖4示出了某次出海實(shí)驗(yàn)海水深度記錄儀取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐證明該記錄儀工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的要求，目前已經(jīng)在海洋調(diào)查中使用。
參考文獻(xiàn)：
1. Silicon Laboratories.AN018 C8051F020 Application Note. 2002.
2. Silicon Laboratories.C8051F020/1 Datasheets. 2001.
3. Ramtron Company.FM20L08 Datasheets.2005
關(guān)鍵詞： 海水深度測量;FM20L08;C8051F020
引言
海洋的深度是海洋水體的一個(gè)重要參數(shù)。知道海洋的深度，就可防止海面航行的船只擱淺、觸礁。潛艇在海底活動時(shí)，測量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索，可使對方的訊號接收儀器收不到潛艇發(fā)出的噪音。在筆者所做的一個(gè)課題中，直升飛機(jī)從空中投擲測量儀器到海表面，儀器從海表面下沉至海底后，自動上浮至海水表面。該項(xiàng)目要求研制一個(gè)海水深度記錄儀，記錄上述過程中測量儀器在海水中的深度變化。測量儀器自動上浮至海面后，打撈并回放測量數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)要求每秒采樣100次，具有非易失性。測量數(shù)據(jù)通過串口向PC機(jī)回放。
測量的基本原理如下式所示：
P=rgh+P0 (1)
其中P是指儀器所受到的絕對壓力，r是指海水密度(常數(shù))，g是指當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?常數(shù))，h是指儀器下降的深度，P0是指當(dāng)時(shí)的大氣壓力(短時(shí)間認(rèn)為恒定)。所以，只要測出儀器受到的壓力，根據(jù)式(1)就很容易計(jì)算出儀器下降的深度。儀器在海水中的位置越深，受到的壓力越大。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，海水的深度數(shù)據(jù)采集頻率要求至少100Hz，連續(xù)采集時(shí)間為5分鐘以上。以分辨率為12位的ADC計(jì)算，一次采集的數(shù)據(jù)量至少為2×100×5×60=60000B。針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大、速度快、爆發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用如下總體設(shè)計(jì)方案：主控制器采用了美國Silicon Laboratories公司的高性能微控制器C8051F020。它具有與8051完全兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用高速流水線結(jié)構(gòu)(25 MIPS)，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為1~2 時(shí)鐘周期;具有64 KB可在系統(tǒng)編程FLASH 和大容量內(nèi)部SRAM，具有外部存儲器接口。非易失性存儲器采用美國Ramtron公司的FM20L08鐵電存儲器。與其它類型的非易失性存儲器相比，FRAM鐵電存儲器具有讀寫次數(shù)多、讀寫速度快、功耗低、無延時(shí)和不用擦除寫操作的特點(diǎn)，在功能上可以完全替代SRAM。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
電源
電源部分使用三節(jié)普通AAA電池供電。經(jīng)升壓管理芯片MAX756升壓至5V后，給基準(zhǔn)源、放大器和壓力傳感器供電。5V電源通過低電壓LDO管理芯片TPS79333變換成3.3V后，給CPU、串口收發(fā)芯片及FM20L08供電。
信號調(diào)理電路
信號調(diào)試電路如圖2所示。
圖2 信號調(diào)理電路
雖然C8051F020內(nèi)部有2.43V的基準(zhǔn)電壓源。但是測試結(jié)果表明其輸出電壓隨溫度波動較大，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了提高測量精度，系統(tǒng)采用了Maxim公司的低溫漂電壓基準(zhǔn)芯片MAX6325，MAX6325是低溫度系數(shù)(<1ppm/°C)、低噪聲(1.5mVp-p)的電壓基準(zhǔn)，它具有±0.02% 初始精度，是高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。由于壓力傳感器的輸出電壓范圍是DC1~5V，而MAX6325輸出的電壓基準(zhǔn)是2.50V。因而必須對壓力傳感器輸出電壓進(jìn)行衰減，以達(dá)到和基準(zhǔn)電壓的匹配。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能最簡單的方法是直接用兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，但是由于傳感器具有一定的輸出阻抗，直接匹配分壓電阻相當(dāng)于將傳感器輸出阻抗與這兩個(gè)電阻并聯(lián)，會造成輸入A/D的采樣電壓不準(zhǔn)確。正確的方法是在壓力傳感器的輸出之后加一級運(yùn)算放大器增加輸入阻抗，再在運(yùn)放的輸出級并聯(lián)分壓電阻。考慮到系統(tǒng)只有5V電壓并且傳感器的輸出電壓在1~5V之間，同時(shí)也為了減少器件的數(shù)目，縮小占板面積，運(yùn)算放大器選用了OPA340。OPA340是單電源軌至軌輸入和輸出運(yùn)算放大器。OPA340的工作電壓可低至2.5V，它允許的最低輸入為-500mV，最高輸入為可高于電源500mV。它具有良好的動態(tài)效應(yīng)，靜態(tài)電流僅為750mA。壓力傳感器的輸出電壓經(jīng)OPA340和分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行1/2分壓后，送C8051F020的片內(nèi)12位A/D進(jìn)行信號采集。
數(shù)據(jù)存儲
對于針對突發(fā)數(shù)據(jù)的記錄儀、高速存儲測試設(shè)備等，其數(shù)據(jù)的高速存儲和掉電不丟失成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，Ramtron公司推出的FM20L08鐵電存儲器彌補(bǔ)了現(xiàn)有鐵電存儲器存儲量小的缺點(diǎn)，其數(shù)據(jù)存儲量達(dá)1Mb(128KB)，可完全代替標(biāo)準(zhǔn)異步靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)，具有可隨機(jī)讀寫芯片內(nèi)任何一字節(jié)的特性。FM20L08非易失性鐵電存儲器可無限次讀寫，掉電后數(shù)據(jù)可保存10年，工作電壓為3.3V，最大功耗電流為22mA，采用32引腳TSOP型封裝。FM20L08增加了軟件控制寫保護(hù)功能，存儲序列按地址排成8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都能通過軟件單獨(dú)設(shè)置寫保護(hù)。 在對海水深度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄時(shí)，為了更好地了解儀器在水中深度變化的過程，必須有高速的數(shù)據(jù)采集和大量的數(shù)據(jù)存儲作保證。鐵電存儲器的高速寫入和掉電數(shù)據(jù)不丟失特性完全適合此類情況，可以對物體在海水中的下降過程進(jìn)行完整地記錄。圖3示出C8051F020與FM20L08的接口電路。
圖3 FM20L08與C8051F020的接口電路
C8051F020使用高位端口(P4~P7)與FM20L08進(jìn)行接口。FM20L08新增內(nèi)部電壓監(jiān)控器驅(qū)動LVL(Low Voltage Lockout)信號，它接至MCU的INT0，用于監(jiān)控電源的供電情況，當(dāng)電源電壓下降到臨界值以下時(shí)，LVL引腳輸出低電壓信號，顯示電路處于寫保護(hù)狀態(tài)，在MCU的INT0中斷服務(wù)程序中復(fù)位MCU，這樣存儲器可以自動阻止誤讀寫和防止存儲頁面數(shù)據(jù)的破壞。FM20L08的片選信號是由C8051F020的讀寫信號相與來控制的，只要讀寫信號任何一個(gè)變低，則片選信號有效。C8051F020的最大尋址空間為64K，而要求它能夠訪問128KB的地址空間，最簡單有效的方法就是使用一個(gè)I/O位控制FM20L08的地址線A16。當(dāng)A16 為0是選擇FRAM的前半部分,當(dāng)A16為1時(shí),選擇FRAM的后半部分。
在存儲程序設(shè)計(jì)中，程序應(yīng)首先判斷儀器在下降時(shí)A/D的輸入信號值是否大于門限值，只有輸入信號值大于門限值才將數(shù)據(jù)存儲在存儲單元內(nèi)，在測量儀器由海底上浮至將要接近海面時(shí)關(guān)閉鐵電存儲器，停止數(shù)據(jù)存儲。
利用軟件實(shí)現(xiàn)16位精度的A/D轉(zhuǎn)換
系統(tǒng)使用C8051F020內(nèi)部的12位ADC采集壓力數(shù)據(jù)。但壓力傳感器需要測量較大的動態(tài)范圍(0~700m)，還要求對小于2cm深度變化作出響應(yīng)。這樣片內(nèi)12位ADC的分辨率將無法滿足要求，需要使用16位ADC提高測量分辨率。在系統(tǒng)的采集方案中，使用了C8051F020片內(nèi)自帶的12位ADC并采用過采樣和求平均值技術(shù)達(dá)到了16位分辨率進(jìn)行深度測量的目的，并未使用昂貴的片外16位ADC，這樣既節(jié)省了成本，也減少了軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。
為了增加有效位數(shù)，壓力必須被過采樣(即ADC以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對信號進(jìn)行采樣)。所需要的采樣頻率由系統(tǒng)對壓力測量所要求的頻率決定。每增加一位分辨率，信號必須以4倍的速率過采樣，即
fOS=4W·fS (2)
其中W為希望增加的分辨率位數(shù);fs為初始采樣頻率要求;fos為過采樣頻率。
具體到本例基本原理簡述如下，假設(shè)系統(tǒng)每秒輸出100個(gè)壓力值，即每10ms內(nèi)必須采集一個(gè)壓力值。為了將測量分辨率增加到16位，則必須以100×256Hz的采樣頻率對壓力傳感器進(jìn)行采樣。為此，在10ms內(nèi)先集中采集256個(gè)樣本，然后將這256個(gè)樣本累加，然后將總和除以16。這樣得到的結(jié)果便是一次采樣的16位有效數(shù)據(jù)，然后MCU便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲，并開始下10ms的樣本采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用這種方法可明顯地提升壓力采集的精度。可以有效地消除系統(tǒng)測量的白噪聲，改善信噪比。
結(jié)語
經(jīng)過驗(yàn)證，海水深度記錄儀的設(shè)計(jì)是可行的，經(jīng)過海上實(shí)驗(yàn)與實(shí)際水深測量值相比，誤差在2cm 以內(nèi)。圖4示出了某次出海實(shí)驗(yàn)海水深度記錄儀取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐證明該記錄儀工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的要求，目前已經(jīng)在海洋調(diào)查中使用。
參考文獻(xiàn)：
1. Silicon Laboratories.AN018 C8051F020 Application Note. 2002.
2. Silicon Laboratories.C8051F020/1 Datasheets. 2001.
3. Ramtron Company.FM20L08 Datasheets.2005
下載文檔
