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一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)

發(fā)布時(shí)間:2018-05-02 來(lái)源:Jeff Watson 和 Maithil Pachchigar 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在許多惡劣環(huán)境系統(tǒng)中,一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)是高精密電子器件離高溫區(qū)域越來(lái)越近。這一趨勢(shì)背后有多個(gè)推動(dòng)因素,在能源勘探、航空航天、汽車(chē)、重工業(yè)和其他終端應(yīng)用中都有體現(xiàn)。
 
例如,在能源勘探領(lǐng)域,環(huán)境溫度增幅為深度的函數(shù),相關(guān)設(shè)備的典型工作溫度為175°C及以上。受尺寸和功率限制,有源冷卻不太實(shí)際,熱對(duì)流非常有限。在其他系統(tǒng)中,需要把傳感器和信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)置于高溫區(qū)域附近,比如發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車(chē)系統(tǒng)或高功率能源轉(zhuǎn)換電子器件,以提高系統(tǒng)的整體可靠性或降低成本。
 
從歷史上來(lái)看,工程師要為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)出可靠的高性能電子器件是非常困難的事,因?yàn)槭袌?chǎng)上缺少制造商為這些工作條件生產(chǎn)指定的組件。幸運(yùn)的是,近年來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的(IC和無(wú)源)組件,制造商指定的工作溫度高達(dá)175°C及以上。另外,最近的參考設(shè)計(jì)也偏重于性能,將部分這些組件在信號(hào)鏈子系統(tǒng)中結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)精密數(shù)據(jù)采集,以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能更快地采用相關(guān)技術(shù)(如 CN-0365),并幫助他們降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、縮短上市時(shí)間。但在此之前,在高溫精密數(shù)據(jù)采集方面,距離特性良好、廣泛可用的全功能平臺(tái)還存在一些差距。
 
在本文中,我們將介紹一種新型高溫精密數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái),其工作溫度高達(dá)200°C。該平臺(tái)包括一個(gè)高溫電路組件,以及一個(gè)數(shù)據(jù)采集前端和微控制器、優(yōu)化的固件、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、源代碼、設(shè)計(jì)文件、材料清單和測(cè)試報(bào)告。該平臺(tái)適合參考設(shè)計(jì)、快速原型制作和高溫儀器儀表系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。電路組件的尺寸和結(jié)構(gòu)均經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì),可兼容石油天然氣儀器儀表的尺寸要求,但也可作為其他高溫應(yīng)用的基礎(chǔ)。
 
硬件架構(gòu)概述
 
油氣勘探中使用的儀器儀表(也稱(chēng)為井下工具)與許多精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)類(lèi)似,但對(duì)性能和可靠性有著具體的要求,可以作為本參考平臺(tái)的案例進(jìn)行研究。在該應(yīng)用中,系統(tǒng)來(lái)自各類(lèi)傳感器的信號(hào)采樣,以收集與周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造相關(guān)的信息。這些傳感器可能是電極、線圈、壓電傳感器或其他傳感器。加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀可以提供有關(guān)鉆柱的傾角和轉(zhuǎn)速信息。這些傳感器中有一些的帶寬要求極低,其他傳感器則能提供音頻頻率范圍內(nèi)或以上的信息。需要使用多個(gè)采集通道,還必須在高溫(一般為175°C及以上)下維持高精度。另外,這些儀器儀表中很大一部分采用電池供電,或者可用電能有限,因此,必須具有低功耗和多個(gè)工作模式的特點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。
 
在有關(guān)電子系統(tǒng)的要求以外,井下應(yīng)用還存在機(jī)械上的限制,可能決定著電子組件的尺寸,也可能會(huì)影響組件的封裝和選擇。對(duì)于后一個(gè)問(wèn)題,我們將在后面各節(jié)里詳細(xì)討論,目前要注意的是,這一段的電路組件一般對(duì)電路板寬度有限制。必須將電子組件放在鉆探作業(yè)中使用的管狀壓力容器中,因此其長(zhǎng)寬比具有狹長(zhǎng)的特點(diǎn)。這種形狀上的特點(diǎn)限制了可用組件的尺寸和密度,也可能限制組件布局和信號(hào)路由的分割方式,結(jié)果可能對(duì)高精度電子器件的性能造成影響,因此,要特別注意布局和其他封裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。圖2所示為一種典型尺寸、裝在一個(gè)管狀壓力容器里的電路組件(透明,頂部),裝上電路板后管狀壓力容器的橫截面(底部)。
 
本文討論的可靠參考設(shè)計(jì)平臺(tái)基于CN-0365模擬前端參考設(shè)計(jì),其目的是為基于高溫低功耗微控制器的精密數(shù)據(jù)采集和控制解決方案奠定基礎(chǔ),使其符合眾多井下儀器儀表和其他高溫電子器件的要求?;贏D7981 模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器,該參考設(shè)計(jì)展現(xiàn)了一種全功能的系統(tǒng),帶2個(gè)高速同步采樣通道和8個(gè)額外的多路復(fù)用通道,可滿足廣泛的井下工具的數(shù)據(jù)采集需求(共10個(gè)通道)。該模擬前端通過(guò)SPI端口接入來(lái)自聯(lián)盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM® Cortex®-M0。該設(shè)計(jì)是不斷壯大的 ADI高溫應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)里的最新成員。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖1. 高溫參考平臺(tái)。
 
采集后,可以在本地處理數(shù)據(jù),也可通過(guò)UART或可選的RS-485通信接口傳輸出去。電路板上的其他配套組件(包括內(nèi)存、時(shí)鐘、電源和無(wú)源器件)均為各自供應(yīng)商指定的、支持高工作溫度的器件,經(jīng)驗(yàn)證,這些組件能在200°C或以上的溫度下可靠地工作。圖1和圖2所示為該高溫參考平臺(tái)的實(shí)際電路板圖和高層次功能框圖。圖2所示電路板展示的是井下電路板布局和尺寸,約長(zhǎng)11.4英寸、寬1.1英寸。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖2. 井下電子組件尺寸。
 
CN-0365應(yīng)用筆記中全面地介紹了該平臺(tái)精密數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計(jì)問(wèn)題。該設(shè)計(jì)是這個(gè)平臺(tái)上的三個(gè)ADC輸入的基礎(chǔ),不過(guò),為了滿足電路板尺寸要求,使平臺(tái)能在最高200°C的溫度下可靠地工作,主要在無(wú)源元件選擇方面進(jìn)行了一些調(diào)整和優(yōu)化。參考采集通道電路如圖4所示。有2個(gè)能在高采樣速率下工作的數(shù)字多路復(fù)用通道,每一個(gè)都含有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集通道(與CN-0365類(lèi)似)。還有一個(gè)模擬多路復(fù)用通道,其在輸入之前添加了一個(gè)ADG798多路復(fù)用器,并針對(duì)低吞吐量輸入進(jìn)行了優(yōu)化。R1和R3為U1的同相輸入提供1.25 V偏置電壓,防止其在斷開(kāi)時(shí)或者取消選擇多路復(fù)用器時(shí),浮動(dòng)至模擬輸入的供電軌??梢愿腞8和R9,以提高U1的增益。R4、R7和C1是抗混疊濾波器,但也可以將它們重新配置為衰減器或交替濾波器配置。R5、R6和C4構(gòu)成ADC驅(qū)動(dòng)器與ADC輸入之間的RC濾波器,該濾波器的作用是限制到達(dá)ADC輸入的帶外噪聲量,并衰減來(lái)自ADC輸入開(kāi)關(guān)電容的反沖電壓。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖3. 高溫參考平臺(tái)功能框圖。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖4. ADC驅(qū)動(dòng)器配置。
 
設(shè)計(jì)該平臺(tái)就是為了利用AD7981 ADC的多個(gè)關(guān)鍵特性。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能提高超過(guò)85 dB的典型SINAD以及±0.6 LSB的典型INL,其中,基準(zhǔn)電壓源為2.5V且無(wú)丟碼。采用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí),可以實(shí)現(xiàn)90 dB以上的SINAD,但在本平臺(tái)中,為了維持與較低電壓系統(tǒng)的兼容性,我們沒(méi)有選擇這一規(guī)格。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)入省電狀態(tài),因此,ADC的功耗會(huì)隨吞吐量自動(dòng)線性變化。在使用低采樣速率的轉(zhuǎn)換器時(shí),這樣做可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
 
軟件概述
 
固件
 
平臺(tái)的固件基于FreeRTOS操作系統(tǒng)制成,可以方便地集成任務(wù),如數(shù)據(jù)處理和其他通信。我們對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化,以便非多路復(fù)用通道0和1能高效地完成快速ADC轉(zhuǎn)換,多路復(fù)用通道2到9的轉(zhuǎn)換耗時(shí)低至10 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以在本地處理,也可以2 Mbps的速率從UART通道中傳輸出去。轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器的大小為16 kB(8k次采樣結(jié)果),既可在多個(gè)通道之間共享,也可專(zhuān)門(mén)供一個(gè)通道使用。該固件以開(kāi)源格式提供,最終用戶可以對(duì)其進(jìn)行定制,還可將其作為最終應(yīng)用的基礎(chǔ)。
 
數(shù)據(jù)采集與分析軟件
 
圖5所示為數(shù)據(jù)采集與分析軟件,基于.NET接口設(shè)計(jì),電源組件通過(guò)一個(gè)USBUART-TTL電平轉(zhuǎn)換器。借助定義明確的協(xié)議,可以與硬件(包括控制和數(shù)據(jù)流)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)可以在突發(fā)模式下采集數(shù)據(jù),也可連續(xù)采集。另外納入了數(shù)據(jù)分析功能,以在時(shí)域和頻域分析與驗(yàn)證SNR、THD和SINAD(如FFT)。也可將數(shù)據(jù)記錄到文件(如導(dǎo)出到Excel),以便存儲(chǔ)起來(lái)或者在其他應(yīng)用中進(jìn)行處理。就如固件一樣,我們免費(fèi)提供了數(shù)據(jù)采集軟件的源代碼,最終用戶可以進(jìn)行定制。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖5. 數(shù)據(jù)采集與分析軟件。
 
高溫構(gòu)造
 
本參考平臺(tái)采用適合在200°C條件下工作的組件和其他材料制成。平臺(tái)上使用的所有組件均為各自制造商指定的高溫工作組件(另有說(shuō)明時(shí)除外),并且全球經(jīng)銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始大量供貨。全部BOM、PCB布局圖和裝配圖紙都隨參考設(shè)計(jì)包免費(fèi)提供。
 
電容
 
用C0G或NP0電介質(zhì)電容進(jìn)行小容值的濾波器和去耦。這些電介質(zhì)電容的溫度系數(shù)表現(xiàn)極其平坦,一般而言,其對(duì)屈曲應(yīng)力的耐受性更好。為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù),并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性,建議使用C0G或NP0型電容。我們用小尺寸0805或以上陶瓷器件減小了組件與PCB之間的CTE失配。出于大量存儲(chǔ)需要,我們選擇了高溫鉭電容,并在尺寸與ESR之間進(jìn)行了平衡。實(shí)際上,圖8最終表明,使用100 kΩ和1 MΩ電阻時(shí),穩(wěn)定性確實(shí)會(huì)受到影響。由于輸出電壓會(huì)受到嚴(yán)格濾波,所以,柵極電壓就變成了振鈴檢測(cè)器。振鈴表示相位裕量糟糕或?yàn)樨?fù)值,振鈴頻率顯示交越頻率。
 
電阻
 
設(shè)計(jì)主體部分采用薄膜SMT電阻(汽車(chē)級(jí)PATT系列),市場(chǎng)上貨源充足。另外,根據(jù)設(shè)計(jì)需要,針對(duì)特定值和尺寸選擇了部分厚膜SMT電阻。
 
連接器
 
電路板連接著一個(gè)額定溫度為200°C的Micro-D,后者常用于高可靠性行業(yè)。為了減少信號(hào)串?dāng)_,我們對(duì)連接器外殼進(jìn)行了特別處理,將其接地至組件中的PCB。對(duì)于要求最高信號(hào)完整性和最低串?dāng)_的應(yīng)用,則要采用高溫專(zhuān)業(yè)連接器(或者無(wú)連接器)和同軸或屏蔽平衡輸入,以減少串?dāng)_。
 
PCB設(shè)計(jì)和布局
 
在井下應(yīng)用中宜選擇狹長(zhǎng)形的PCB,因?yàn)檫@些應(yīng)用里的電路板必須符合鉆孔和耐壓殼限制要求。選擇的電路板材料是一種耐高溫?zé)o鹵聚酰亞胺。指定電路板厚度為0.093英寸而非0.062英寸的標(biāo)準(zhǔn)厚度,因?yàn)檫@樣可以增加剛度和平坦度。
 
采用鎳金表面處理,其中鎳提供一個(gè)壁壘,可防止金屬間增生,金則為接頭焊接提供一個(gè)良好的表面。
 
對(duì)于選擇的0.093英寸電路板厚度,典型的四層堆疊中有一個(gè)約13密耳的銅隔離層和一個(gè)60密耳的大內(nèi)核。如果是六層結(jié)構(gòu),則隔離層一般厚9.5密耳和28密耳。為此,我們采用了六層設(shè)計(jì),這樣就可以在每個(gè)信號(hào)層設(shè)置一個(gè)接地層,從而改善噪聲性能。
 
電源和數(shù)字通信信號(hào)饋入一個(gè)連接器,模擬信號(hào)則饋入反向連接器。這樣就可以在數(shù)字域與模擬域之間實(shí)現(xiàn)良好的隔離和信號(hào)流。地的分割設(shè)在電路板中間,電源濾波則設(shè)于分隔處附近。盡量減少與分隔層相交的數(shù)字控制線路,采用串聯(lián)端接以減少數(shù)字噪聲耦合。用銅網(wǎng)絡(luò)接線在一個(gè)點(diǎn)把數(shù)字和模擬接地層焊接起來(lái),為驅(qū)動(dòng)源提供一個(gè)低阻抗回路。
 
多路復(fù)用器控制信號(hào)與模擬部分長(zhǎng)度相同,但其敷設(shè)路徑與關(guān)鍵模擬信號(hào)路徑隔開(kāi)。在實(shí)踐中,這些多路復(fù)用控制線路會(huì)與采集數(shù)據(jù)測(cè)量同步改變,從而最大限度地減少了串?dāng)_效應(yīng)。
 
焊接
 
選擇Sn95/Sb05是為了在200°C的工作溫度下提供足夠高的熔點(diǎn)(>230°C),同時(shí)還考慮了良好的操作性和裝配工廠的現(xiàn)有加工能力。
 
電路板安裝
 
我們?cè)谶@塊電路板上提供安裝柱是出于方便考慮,其僅適用于基準(zhǔn)測(cè)試或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境,不適合強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境。如果要用于強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境,可以先用環(huán)氧樹(shù)脂把組件固定在電路板上。對(duì)于IDC接頭等脆弱組件,可以采用密封方式或者從裝配件中移除。在井下或其他惡劣環(huán)境中,典型安裝方式是采用導(dǎo)軌安裝系統(tǒng),用柔性抗沖擊安裝墊圈把整個(gè)電路板固定起來(lái)。也可以把裝配件完全密封起來(lái)并裝入安裝硬件中,然后把安裝硬件固定到底盤(pán)或外殼上。
 
性能測(cè)試結(jié)果
 
我們對(duì)多塊電路板進(jìn)行了廣泛的測(cè)試,以評(píng)估其在工作溫度范圍內(nèi)的典型性能;同時(shí)還在200°C環(huán)境溫度下浸泡了200小時(shí),以便測(cè)定裝配工藝和電路板的可靠性。
 
交流和直流信號(hào)鏈性能是基于SAR ADC的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵精度指標(biāo)。當(dāng)ADC以600 kSPS的速率運(yùn)行并且工作溫度為200°C時(shí),魯棒的比率式平臺(tái)的串?dāng)_性能可達(dá)–100 dB以上,最大失調(diào)漂移達(dá)±60 mV。對(duì)于交流測(cè)試,用一個(gè)1 kHz的低失真音作為輸入信號(hào),并用+5 VDC/–2.5 VDC模擬電源為電路板供電。圖6所示為該信號(hào)音在400 kSPS下的FFT及頻譜分析計(jì)算結(jié)果。在200°C下,SNR優(yōu)于84 dB,THD達(dá)–96 dB。圖7所示為SNR和SINAD,圖8所示為采用同一輸入音時(shí),非多路復(fù)用通道在工作溫度范圍內(nèi)的THD。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖6. 200°C下的FFT及頻譜分析結(jié)果。
 
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圖7. 工作溫度范圍內(nèi)的SNR和SINAD。
 
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圖8. 工作溫度范圍內(nèi)的THD。
 
我們測(cè)量了模擬和數(shù)字供電軌在工作溫度范圍內(nèi)的功耗,結(jié)果如圖9所示。室溫下的總功耗為155 mW,200°C下則增至225 mW。3.3 V供電軌上的功耗由以全時(shí)鐘速率運(yùn)行的微控制器和一個(gè)精密震蕩器為主。我們?yōu)檗D(zhuǎn)換器設(shè)定的突發(fā)采樣速率為每秒8192個(gè)樣本。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖9. 2.5 V、3 V和5 V供電軌的功耗
 
有關(guān)額外參數(shù)的測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參閱參考平臺(tái),其額定參數(shù)指標(biāo)符合 200°C工作溫度要求。
 
應(yīng)用示例
 
油氣勘探、航空航天和重工業(yè)領(lǐng)域的多種應(yīng)用通過(guò)加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定向和震動(dòng)檢測(cè)。搭載模擬輸入的加速度計(jì)具有最高的精度,而且非常靈活,能根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)節(jié)傳感器輸出。
 
ADXL206 是一款完整的精密型低功耗雙軸iMEMS®加速度計(jì),可用于高溫環(huán)境。其范圍為±5 g,帶寬范圍為0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的輸出以½ VCC為中心,與VCC成比率。如果ADXL206和 EV-HT-200CDAQ1共用VCC(在連接器上提供),則可以用多路復(fù)用器S7通道上的VCC 基準(zhǔn)電壓源清零直流失調(diào)和電源漂移。圖10為一個(gè)示例電路。必須按½的比例因子對(duì)ADXL206的信號(hào)范圍(0 V至5 V)進(jìn)行調(diào)節(jié),使其與精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0 V至2.5 V的范圍相擬合。具體方法是,先緩沖輸出,然后使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的衰減器。C2和C3設(shè)定ADXL206的帶寬;圖9中的例子所示帶寬為33 Hz。低帶寬應(yīng)用可以使用多路復(fù)用器輸入;要實(shí)現(xiàn)最高的帶寬和精度,可以使用兩個(gè)非多路復(fù)用輸入通道。
 
一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)
圖10. 高溫加速度計(jì)與EV-HT-200CDAQ1的接口。
 
小結(jié)
 
本文介紹了一種新的、高度集成的魯棒型精密數(shù)據(jù)采集參考平臺(tái),EV-HT-200CDAQ1,該平臺(tái)經(jīng)過(guò)測(cè)定,其參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求。借助該平臺(tái),高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在原型制作和評(píng)估中使用最先進(jìn)的組件,從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間。
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