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新型高温精密数据采集与处理平台简介

发布时间:2021-02-27 22:01:16  来源:    背景:

  

简介

  

正在很众恶毒境遇体例中,一个延续延长的趋向是高周到电子器件离高温区域越来越近。这一趋向背后有众个饱动身分,正在能源勘测、航空航天、汽车、重工业和其他终端运用中都有外现。1 比如,正在能源勘测范围,境遇温度增幅为深度的函数,相干设置的榜样职业温度为175°C及以上。受尺寸和功率限度,有源冷却不太现实,热对流很是有限。正在其他体例中,必要把传感器和信号颐养节点置于高温区域左近,例如煽动机、刹车体例或高功率能源转换电子器件,以进步体例的完全牢靠性或下降本钱。

  

从汗青上来看,工程师要为这些运用安排出牢靠的高机能电子器件短长常麻烦的事,由于商场上匮乏缔制商为这些职业前提出产指定的组件。侥幸的是,近年来产生了越来越众的(IC和无源)组件,缔制商指定的职业温度高达175°C及以上。其余,近来的参考安排也侧重于机能,将部门这些组件正在信号链子体例中连合起来,竣工周到数据收罗,以使体例安排师能更疾地采用相干本领(如CN-0365),并助助他们下降安排危害、缩短上市时分。但正在此之前,正在高温周到数据收罗方面,间隔特色优越、普通可用的全功用平台还存正在极少差异。

  

正在本文中,咱们将先容一种新型高温周到数据收罗与惩罚平台,其职业温度高达200°C。该平台包含一个高温电道组件,以及一个数据收罗前端和微限制器、优化的固件、数据收罗与阐明软件、源代码、安排文献、质料清单和测试叙述。该平台适合参考安排、急迅原型修制和高温仪器仪外体例试验室测试。电道组件的尺寸和组织均经历分外安排,可兼容石油自然气仪器仪外的尺寸请求,但也可动作其他高温运用的根基。

  

硬件架构概述

  

油气勘测中行使的仪器仪外(也称为井下器材)与很众周到数据收罗与限制平台犹如,但对机能和牢靠性有着全体的请求,能够动作本参考平台的案例举行磋议。正在该运用中,体例来自各样传感器的信号采样,以搜罗与周遭地质构制相干的音讯。这些传感器可以是电极、线圈、压电传感器或其他传感器。加快率计、磁力计和陀螺仪能够供给相闭钻柱的倾角和转速音讯。这些传感器中有极少的带宽请求极低,其他传感器则能供给音屡屡率范畴内或以上的音讯。必要行使众个收罗通道,还必需正在高温(日常为175°C及以上)下保持高精度。其余,这些仪器仪外中很大一部门采用电池供电,或者可用电能有限,所以,必需具有低功耗和众个职业形式的特性,以竣工功耗优化。

  

正在相闭电子体例的请求以外,井下运用还存正在刻板上的限度,可以决策着电子组件的尺寸,也可以会影响组件的封装和选取。看待后一个题目,咱们将正在后面各节里周到协商,目前要注意的是,这一段的电道组件日常对电道板宽度有限度。必需将电子组件放正在钻探功课中行使的管状压力容器中,所以其长宽比具有狭长的特性。这种式样上的特性限度了可用组件的尺寸和密度,也可以限度组件组织和信号道由的肢解形式,结果可以对高精度电子器件的机能酿成影响,所以,要分外注意组织和其他封装安排细节。图2所示为一种榜样尺寸、装正在一个管状压力容器里的电道组件(透后,顶部),装上电道板后管状压力容器的横截面(底部)。

  

本文协商的牢靠参考安排平台基于CN-0365模仿前端参考安排,其主意是为基于高温低功耗微限制器的周到数据收罗和限制办理计划奠定根基,使其契合稠密井下仪器仪外和其他高温电子器件的请求。基于AD7981模数SAR转换器,该参考安排显露了一种全功用的体例,带2个高速同步采样通道和8个出格的众道复用通道,可知足普通的井下器材的数据收罗需求(共10个通道)。该模仿前端通过SPI端口接入来自同盟团结伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM? Cortex?-M0。该安排是延续巨大的ADI高温运用产物和办理计划生态体例里的最新成员。

  

  

图1.高温参考平台。

  

收罗后,能够正在当地惩罚数据,也可通过UART或可选的RS-485通讯接口授输出去。电道板上的其他配套组件(包含内存、时钟、电源和无源器件)均为各自供应商指定的、援助高职业温度的器件,体验证,这些组件能正在200°C或以上的温度下牢靠地职业。图1和图2所示为该高温参考平台的现实电道板图和高方针功用框图。图2所示电道板呈现的是井下电道板组织和尺寸,约长11.4英寸、宽1.1英寸。

  

  

图2.井下电子组件尺寸。

  

CN-0365运用条记中全体地先容了该平台周到数据收罗通道的安排题目。3 该安排是这个平台上的三个ADC输入的根基,只是,为了知足电道板尺寸请求,使平台能正在最高200°C的温度下牢靠地职业,首要正在无源元件选取方面举行了极少安排和优化。参考收罗通道电道如图4所示。有2个能正在高采样速度下职业的数字众道复用通道,每一个都含有一个完善的数据收罗通道(与CN-0365犹如)。另有一个模仿众道复用通道,其正在输入之前增加了一个ADG798众道复用器,并针对低模糊量输入举行了优化。R1和R3为U1的同相输入供给1.25 V偏置电压,防备其正在断开时或者撤废选取众道复用器时,浮动至模仿输入的供电轨。能够更改R8和R9,以进步U1的增益。R4、R7和C1是抗混叠滤波器,但也能够将它们从新摆设为衰减器或瓜代滤波器摆设。R5、R6和C4组成ADC驱动器与ADC输入之间的RC滤波器,该滤波器的效用是限度抵达ADC输入的带外噪声量,并衰减来自ADC输入开闭电容的反冲电压。4

  

  

图3.高温参考平台功用框图。

  

  

图4.ADC驱动器摆设。

  

安排该平台便是为了AD7981 ADC的众个枢纽特色。这款16位、600 kSPS转换器能进步跨越85 dB的榜样SINAD以及±0.6 LSB的榜样INL,个中,基准电压源为2.5V且无丢码。采用5 V基准电压源时,能够竣工90 dB以上的SINAD,但正在本平台中,为了保持与较低电压体例的兼容性,咱们没有选取这一规格。因为ADC内核正在转换周期之间会主动进入省电形态,所以,ADC的功耗会随模糊量主动线性变革。正在行使低采样速度的转换器时,云云做能够竣工节能。

  

软件概述

  

固件

  

平台的固件基于FreeRTOS操作体例制成,能够便利地集成职责,如数据惩罚和其他通讯。咱们对代码举行了优化,以便非众道复用通道0和1能高效地完结急迅ADC转换,众道复用通道2到9的转换耗时低至10 μs。转换结果能够正在当地惩罚,也能够2 Mbps的速度从UART通道中传输出去。转换结果缓冲器的大小为16 kB(8k次采样结果),既可正在众个通道之间共享,也可特意供一个通道行使。该固件以开源样子供给,最终用户能够对其举行定制,还可将其动作最终运用的根基。

  

数据收罗与阐明软件

  

图5所示为数据收罗与阐明软件,基于.NET接口安排,电源组件通过一个USBUART-TTL电平转换器。借助界说鲜明的条约,能够与硬件(包含限制和数据流)举行通讯。数据能够正在突发形式下收罗数据,也可贯串收罗。其余纳入了数据阐明功用,以正在时域和频域阐明与验证SNR、THD和SINAD(如FFT)。也可将数据纪录到文献(如导出到Excel),以便存储起来或者正在其他运用中举行惩罚。就如固件相同,咱们免费供给了数据收罗软件的源代码,最终用户能够举行定制。

  

  

图5.数据收罗与阐明软件。

  

高温构制

  

本参考平台采用适合正在200°C前提下职业的组件和其他质料制成。平台上行使的一起组件均为各自缔制商指定的高温职业组件(另有证实时除外),而且全球经销商汇集一经开端豪爽供货。一切BOM、PCB组织图和装置图纸都随参考安排包免费供给。

  

电容

  

用C0G或NP0电介质电容举行小容值的滤波器和去耦。这些电介质电容的温度系数展现极其平整,日常而言,其对屈曲应力的耐受性更好。5 为使RC滤波用具有高Q、低温度系数,而且正在变革电压下具有巩固的电气特色,创议行使C0G或NP0型电容。咱们用小尺寸0805或以上陶瓷器件减小了组件与PCB之间的CTE失配。出于豪爽存储必要,咱们选取了高温钽电容,并正在尺寸与ESR之间举行了均衡。

  

电阻

  

安排主体部门采用薄膜SMT电阻(汽车级PATT系列),商场上货源富裕。其余,凭据安排必要,针对特定值和尺寸选取了部门厚膜SMT电阻。

  

维系器

  

电道板维系着一个额定温度为200°C的Micro-D,后者常用于高牢靠性行业。为了节减信号串扰,咱们对维系器外壳举行了分外惩罚,将其接地至组件中的PCB。看待请求最高信号完善性和最低串扰的运用,则要采用高温专业维系器(或者无维系器)和同轴或屏障均衡输入,以节减串扰。

  

PCB安排和组织

  

正在井下运用中宜选取狭长形的PCB,由于这些运用里的电道板必需契合钻孔和耐压壳限度请求。选取的电道板质料是一种耐高温无卤聚酰亚胺。指定电道板厚度为0.093英寸而非0.062英寸的模范厚度,由于云云能够增长刚度和平整度。

  

采用镍金皮相惩罚,个中镍供给一个壁垒,可防备金属间增生,金则为接头焊接供给一个优越的皮相。

  

看待选取的0.093英寸电道板厚度,榜样的四层堆叠中有一个约13密耳的铜隔绝层和一个60密耳的大内核。假如是六层组织,则隔绝层日常厚9.5密耳和28密耳。为此,咱们采用了六层安排,云云就能够正在每个信号层成立一个接地层,从而改良噪声机能。

  

电源和数字通讯信号馈入一个维系器,模仿信号则馈入反向维系器。云云就能够正在数字域与模仿域之间竣工优越的隔绝和信号流。地的肢解设正在电道板中央,电源滤波则设于分开处左近。尽量节减与分开层交友的数字限制线道,采用串联端接以节减数字噪声耦合。用铜汇集接线正在一个点把数字和模仿接地层焊接起来,为驱动源供给一个低阻抗回道。

  

众道复用器限制信号与模仿部门长度雷同,但其敷设途径与枢纽模仿信号途径分开。正在实验中,这些众道复用限制线道会与收罗数据丈量同步伐度,从而最大限定地节减了串扰效应。

  

焊接

  

选取Sn95/Sb05是为了正在200°C的职业温度下供给足够高的熔点(>;230°C),同时还思虑了优越的操作性和装置工场的现有加工才气。

  

电道板安设

  

咱们正在这块电道板上供给安设柱是出于便利思虑,其仅实用于基准测试或试验室境遇,不适合强挫折和强晃动境遇。假如要用于强挫折和强晃动境遇,能够先用环氧树脂把组件固定正在电道板上。看待IDC接甲等懦弱组件,能够采用密封形式或者从装置件中移除。正在井下或其他恶毒境遇中,榜样安设形式是采用导轨安设体例,用柔性抗挫折安设垫圈把全面电道板固定起来。也能够把装置件全体密封起来并装入安设硬件中,然后把安设硬件固定终究盘或外壳上。

  

相闭相干器件的更众音讯,请参阅《面向高温电子运用的低功耗数据收罗办理计划》一文。2

  

机能测试结果

  

咱们对众块电道板举行了普通的测试,以评估其正在职业温度范畴内的榜样机能;同时还正在200°C境遇温度下浸泡了200小时,以便测定装置工艺和电道板的牢靠性。

  

交换和直流信号链机能是基于SAR ADC的周到数据采整体例的一项枢纽精度目标。当ADC以600 kSPS的速度运转而且职业温度为200°C时,鲁棒的比率式平台的串扰机能可达–100 dB以上,最大失调漂移达±60 mV。看待交换测试,用一个1 kHz的低失真音动作输入信号,并用+5 VDC/–2.5 VDC模仿电源为电道板供电。图6所示为该信号音正在400 kSPS下的FFT及频谱阐明估计打算结果。正在200°C下,SNR优于84 dB,THD达–96 dB。图7所示为SNR和SINAD,图8所示为采用统一输入音时,非众道复用通道正在职业温度范畴内的THD。

  

  

图6.200°C下的FFT及频谱阐明结果。

  

  

图7.职业温度范畴内的SNR和SINAD。

  

  

图8.职业温度范畴内的THD。

  

咱们丈量了模仿和数字供电轨正在职业温度范畴内的功耗,结果如图9所示。室温下的总功耗为155 mW,200°C下则增至225 mW。3.3 V供电轨上的功耗由以全时钟速度运转的微限制器和一个周到轰动器为主。咱们为转换器设定的突发采样速度为每秒8192个样本。

  

  

图9.2.5 V、3 V和5 V供电轨的功耗

  

相闭出格参数的测试结果请参阅参考平台,其额定参数目标契合200°C职业温度请求。

  

运用示例

  

油气勘测、航空航天和重工业范围的众种运用通过加快率计竣工定向和晃动检测。搭载模仿输入的加快率计具有最高的精度,并且很是乖巧,能凭据运用必要调理传感器输出。

  

ADXL206是一款完善的周到型低功耗双轴iMEMS?加快率计,可用于高温境遇。其范畴为±5 g,带宽范畴为0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的输出以? VCC为核心,与VCC成比率。假如ADXL206和EV-HT-200CDAQ1共用VCC(正在维系器上供给),则能够用众道复用器S7通道上的VCC基准电压源清零直流失调解电源漂移。图10为一个示例电道。必需按?的比例因子对ADXL206的信号范畴(0 V至5 V)举行调理,使其与周到数据采整体例0 V至2.5 V的范畴相拟合。全体格式是,先缓冲输出,然后行使数据采整体例内部的衰减器。C2和C3设定ADXL206的带宽;图9中的例子所示带宽为33 Hz。低带宽运用能够行使众道复用器输入;要竣工最高的带宽和精度,能够行使两个非众道复用输入通道。

  

小结

  

本文先容了一种新的、高度集成的鲁棒型周到数据收罗参考平台,EV-HT-200CDAQ1,该平台经历测定,其参数目标契合200°C职业温度请求。借助该平台,高温电子体例安排师能够正在原型修制和评估中行使最优秀的组件,从而缩短开拓时分和上市时分。

  

  

图10.高温加快率计与EV-HT-200CDAQ1的接口。

  

参考文献

  

1 Jeff Watson和Gustavo Castro,“高温电子设置对安排和牢靠性带来挑拨”,模仿对线月。

  

2 Jeff Watson和Maithil Pachchigar,“面向高温运用的低功耗数据收罗办理计划”,模仿对线月。

  

3 CN-0365!面向高温境遇的16位、600 kSPS、低功耗数据采整体例,ADI公司,2015年6月。

  

4 Alan Walsh,“面向周到SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器安排”,模仿对线月。

  

5 John L. Evans、James R. Thompson、Mark Christopher、Peter Jacobsen和R. Wayne Johnson,“延续变革的汽车境遇!高温电子设置”,《IEEE电源电子会刊》,第27卷第3期,2004年7月。

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