通用传感器接口电路UTI

通用传感器接口电路(UTI)

摘要: 一种通用传感器接口集成电路芯片- U TI. 它具有集成度高、μp 兼容、适用性强和自动校准等特点. U TI 可为阻性、容性、电阻桥等物理量传感器和微处理器之间提供方便、可靠的接口功能. U TI 采用三信号测量技术, 可通过计算消除系统偏移及增益漂移造成的测量误差.

Universal Transducer Interface (UTI) 是荷兰Smartec 公司近年推出的一种传感器接口集成电路. 它具有许多优越性能, 可广泛应用于生产、科研及**等领域. UTI 接口电路(简称UTI)是低成本CMOS 电路, 只需单电源供电(313VDC～315VDC) , 工作电流低于215 mA , 工作的温度范围为- 30 ℃～70 ℃. UTI 可以为容性器件、铂电阻、热敏电阻、电阻电桥及电位差计等各种类型传感器提供接口电路, 并可构成多路测量系统,其测量分辨率可达到2 进制13～14 位. UTI 能够连续自动校准偏移量和增益误差, 并能抑制50 Hz～60 Hz 的交流干扰, 可适应2 或3 或4 线制测量方式, 而无需附加元件和电路, 其输出信号为交流激励信号, 可以被微处理器兼容.

1 　引脚说明

U TI 具有16 脚DIP (Dual In2line Package)和18 线SOIC ( Small Outline Integrated Circut )两种封装形式供用户选择使用. 图1 为两种封装的引脚排列.

图1 　UTI 的引脚排列
Fig. 1 　Pin configuration

　
各引脚功能列于表1.
表1 　UTI 的引脚功能
Table 1 　Function of the 16 pins

2 　U TI 的工作原理

与其它模/ 数转换原理不同, U TI 是一个基于周期调制振荡器的传感器- 信号- 时间变换器. 振荡器的频率取决于传感器信号, 范围在
20 kHz～50 kHz 之间. U TI 组件提供传感器激励信号, 而且具有内部电压放大器和除法器, 除一个与传感部件相同类型的参考元件外, 不需任何附加电路和元器件. 此外, 为了消除低频干扰, U TI 采用斩波技术产生传感器激励信号.U TI 的核心是三信号测量技术, 这一设计方案消除了测量系统偏移和增益变化引起的误差, 确保了测量的**性.三信号测量将每一次测量循环分为3 个阶段, 如图2 所示:

                            图2 　UIT3 个阶段测量的输出信号
                           Fig. 2 　The output signal of the UTI for a 3 - phase mode

在**阶段( Tof f ) , 测量整个系统的偏移量; 在**阶段( Tref ) , 测量参考信号; *后一个阶段( Tx ) 测量传感器信号. 全部测量过
程由U TI 内部自动控制.每一阶段的持续时间与该阶段所测量的信号成正比, 3 个阶段的持续时间分别为:

电容测量:
Tof f = N K1 C0
Tref = N K1 ( Cref + C0)
Tx = N K1 ( Cx + C0)
电阻测量:
Tof f = N K2 V 0
Tref = N K2 ( V ref + V 0)
Tx = N K2 ( V x + V 0) (1)
式中: Cx 、V x ———被测传感器信号
Cref 、V ref ———参考信号
C0 、V 0 ———包括偏移电压在内的常量
K1 、K2 ———增益
N ———一个测量阶段中, 内部振荡器的振荡周期数. 慢速方式时N = 1 024 ;快速方式时N = 128.
由微处理器对U TI 输出信号的每一测量阶段持续时间进行数字化处理. 微处理器测量信号周期*常用的方法是对各信号周期内包含内部振荡器的振荡周期数Nof f 、N ref 和N x 进行计数.而测量结果Cx / Cref 或V x / V ref 的比值, *终可由微处理器进行计算, 即:
M =
N x - Nof f
N ref - Nof f
=
Cx
Cref
　　或
M =
N x - Nof f
N ref - Nof f
=
V x
V ref
(2)
从式( 2) 可以看出, 比值M 与系统的增益和偏移无关, 也就是说, 在每次测量中, 系统已完成了对自身偏移量和增益漂移的校准, 消除
了由此产生的测量误差.UTI 的全部测量过程由微处理器控制完成, 主要进行周期调制信号的数字化处理、数据存储、测量结果比值M 的计算. 如果需要, 通过定标、拟和过程, 还可完成物理量结果P = f ( M) 的转换计算.用传感器、U TI 芯片和微处理器组成一个集成度高、性能可靠、具有较高精度和低成本的微机控制测量系统.

3 　U TI 的应用举例

U TI 具有16 种工作方式, 可通过硬件或软件实现对SL E1～SL E4 的控制进行选择. 下面以U TI 在应变式压力传感器上的应用为例, 来说明U TI 的使用方式.电阻桥是一种常用的测量物理量信号的方法, 应变式压力传感器就属于此类. U TI 提供了6 种工作方式测量电阻桥信号.

图3 (a) 所示为方式9 电阻桥测量系统.
在这种方式下, 可测量的*大桥不平衡为±4 %.激励信号为1/ 4 内部振荡器频率. U TI 与电桥激励端以四线制方式连接, 以消除引线电阻对测量产生的影响.
U TI 的周期调制输出信号波形见图3 (b) .

                图3 (a) 　测量电阻桥信号的电路
                Fig. 3 (a) 　Measuremrent set up to measure resistive bridge

                          图3 (b) 　UTI 的输出信号
                          Fig. 3 　(b) 　The output signal of the UTI
微处理器87C51 的软、硬件设置与本文**部分基本相同, 经过对U TI 输出信号Tof f 、TAB 、TCD 、TBC进行数字化处理, 分别得到数
字量Nof f 、NAB 、N CD 、NBC.被测电阻桥的相对不平衡由M 表示:
M =
V CD
V AB
=
1
32·
NV CD - Nof f
NVAB/ 32 - Nof f
由于篇幅所限, U TI 的其它工作方式在此就不一一举例了.

4 　U TI 输出信号数字化的基本流程

从以上测量系统的实例可以看出, U TI 与微处理器联接相当简单、方便. 而对U TI 输出的周期调制信号进行数字化处理的过程也并不复杂.由INT1线的上沿启动定时器对内部振荡器输入给定时器的信号周期计数, 因为进入定时器的信号频率为主振频率的1/ 12 , 当87C51 的主振频率为12 MHz 时, 被计数的信号周期为1μs , 定时器*大计数值为65535. 计数由INT1信号的下沿停止. 微处理器将定时器数据暂存, 每一次测量循环完成后, 进行测量结果计算.　　U TI 在各种工作方式下, 每次测量循环的测量阶段数不同(3～5 段) , 即输出信号不同,但是它们在Tof f 阶段的调制信号被倍频, 也就是说, 在此阶段具有两个时间相同的信号周期. 微处理器可据此确认U TI 输出信号的Tof f 阶段,即可正确判断和处理每个测量循环的全部信号.

图4 是微处理器对U TI 周期调制输出信号进行数字化处理的简要流程.

                               图4 　UTI 输出信号数字化流程图
                               Fig. 4 　The flow chart of the output signal of the UTI