基于Intersil产品的应变片数据采集系统设计与应用

一、引言

在电子工程师的日常工作中，数据采集系统是一个常见且重要的设计领域。今天要给大家介绍的是Intersil推出的“DAQ on a Stick, Strain Gauge with Programmable INAMP”参考设计。这个设计结合了Intersil的精密产品和Renesas微控制器，为应变片数据采集提供了一个完整的信号链解决方案，并且以USB Stick的形式呈现，方便携带和使用。

文件下载：ISLRE-BDGSTKEV1Z.pdf

二、设计概述

2.1 整体架构

该参考设计使用了Intersil的多款芯片，包括ISL28634可编程仪表放大器、ISL23328数字电位器、ISL28233运算放大器、ISL43741差分多路复用器、ISL21010 4.096V电压基准、ISL26104 24位Delta Sigma转换器，以及Renesas R5F10JBC（RL78/G1C）微控制器。整体设计通过USB端口供电，并使用图形用户界面（GUI）实时显示桥接应变片或用户提供的传感器的电压读数。

2.2 产品形态

它被设计成USB Stick的形式，如图1所示，方便与计算机连接进行数据采集和分析。这种紧凑的设计使得它在实际应用中具有很高的灵活性。

三、使用步骤

3.1 软件和驱动安装

在将ISLRE - BDGSTKEV1Z评估板连接到USB端口之前，需要在运行Windows NT/2000/XP/Vista/Win7/Win 8操作系统的PC上安装GUI软件和USB驱动。可以从Intersil网站（http://www.intersil.com/en/tools/referencedesigns/Renesas - ISL28634 - strain - gauge - reference - design.html）下载软件和操作演示视频。安装过程中，按照屏幕提示完成软件安装，可选择创建桌面快捷方式并启动应用程序。

3.2 运行评估软件

软件安装完成后，将评估板插入计算机的USB端口，此时DAQ on a Stick板上的绿色LED应亮起。软件启动后，会出现启动屏幕，若连接正常，USB状态指示器将显示“Connected 0x2033”，这表明软件正在与评估板通信。若未连接或出现问题，会显示“HID Device Not Found”，可点击“Test USB Connection”按钮尝试解决。

3.3 连接传感器

• 箔式应变片：将评估板附带的箔式应变片的电线插入DAQ Stick的“S”端口（上下排均可，列是连通的），并将电线的另一端连接到箔式应变片板的边缘。
• 用户提供的传感器：将传感器的电线插入IN +和IN -端口，然后选择“Customer Supplied”选项，此时ISL43741差分多路复用器会切换输入。选择该选项后，用户可以更改放大器的增益以获得最佳测量效果。此外，DAQ on a Stick还为用户的传感器网络提供5V电源和接地连接。

四、软件功能介绍

4.1 启动屏幕

• 测试USB连接按钮：执行USB连接序列，同时会自动显示固件版本。
• 瞬时电压按钮：立即读取ADC的值，用于进一步检查评估板是否正常工作。
• 测量传感器单选框：提供“Supplied with DEMO”和“Customer Supplied”两个选项，选择“Supplied with DEMO”时，放大器增益固定为100，增益选择框变灰；选择“Customer Supplied”时，可通过增益选择框更改放大器增益。
• 增益选择单选框：当选择“Customer Supplied”传感器选项时，可从ISL28634可编程仪表放大器的9种可编程增益中选择。
• ADC输入单选框：ISL26104是一个四输入24位ADC，可通过点击单选框按钮选择输入通道。选择差分输入可连接测量PGIA输出的通道，选择VA +或VA -径向按钮可测量相应引脚的输出。
• 菜单条：点击“About”会显示一个下拉菜单，打开一个新窗口，显示GUI版本和固件版本信息。
• 开始按钮：点击后加载测量显示屏幕。

4.2 测量显示屏幕

• 数据采集单选框：有“Start”（开始实时数据采集和绘图）、“Stop”（停止数据采集）和“Batch”（进入“捕获然后显示”模式，采集1024个测量值后一次性显示）三种选择。
• 绘图单选框：如果在启动屏幕选择“Supplied with Demo”传感器，可选择以电压或微应变显示测量值；如果选择“Customer Supplied”传感器，读数将自动以电压显示。
• 校准按钮：用于去除测量的ADC值中的偏移，确保从时间零点开始获得准确读数。点击“Cal OFF”按钮可返回未校准状态。校准偏移值会与ADC采样率、测量通道、刷新状态、应变片系数、增益和增益因子一起保存在导出的.csv文件顶部。
• 绘图X和Y轴控制：可控制图形区域的水平（XMIN，XMAX）和垂直（YMIN，YMAX）轴。选择“Auto”时，数据采集运行时会显示最后50个测量值，产生水平滚动效果；选择“Manual”时，可手动调整X和Y轴的值。
• 网格和X标签复选框：用于控制绘图显示选项，禁用“Show Grid”或“Show X Labels”可加快实时绘图显示速度。
• 显示启动屏幕按钮：点击后重新显示启动屏幕。
• 测量显示菜单选项：
  • 文件：可保存图形图像或导出采集的数据到.csv文件，以便导入其他应用程序进行进一步分析。
  • AD选项：包括设置ADC采样率、选择ADC通道以及在实时数据采集期间启用/禁用“Flushing”（批量模式数据采集时始终禁用Flushing）。
  • 演示桥电源：用于打开或关闭DAQ on a Stick提供的内部桥接电源。
  • 关于：提供DAQ on a Stick电路的原理图，并提供另一种查看GUI和固件版本的方式。

五、微应变测量

如果用户选择“Supplied with Demo”传感器，可以选择以电压或微应变显示测量值。微应变（g）的计算公式为： [Microstrain (g)=left(A{V} P G I Aright) × Cal{FACTOR } × Gain{FACTOR }] 其中，(A{V} P G I A = 100)（ISL28634在此配置下的增益），(Cal{FACTOR} = 0.119V)（通过1kg重量经验测量得到），(Gain{FACTOR} = 84.033)（计算得出，当ADC输出为0.119V时，微应变单位读数为1kg）。

六、设计考虑因素

6.1 ISL28634

作为应变片设计的输入放大器，ISL28634是理想选择。它是一款5V零漂移轨到轨输入/输出可编程增益仪表放大器，具有低偏移、低噪声、低增益误差和高共模抑制比（CMRR）的特点。零漂移电路可实现低偏移和增益误差漂移，逻辑接口允许最多9种可选增益设置，差分输出放大器包括一个参考引脚，可设置共模输出电压以与差分输入ADC接口。

6.2 ISL28233

这是一款双微功耗、零漂移、轨到轨输入/输出（RRIO）运算放大器，针对1.65V至5.5V的单电源操作进行了优化。低电源电流（18μA）和宽输入范围使其成为各种应用的优秀通用运算放大器。

6.3 ISL26104

ISL26104是一个完整的模拟前端，具有四差分多路复用输入，用于高分辨率测量。它采用三阶调制器，可提供高达21.4位的无噪声性能（10Sps）。24位Delta - Sigma模数转换器包括一个可编程增益的低噪声放大器。尽管本应用演示使用了输入缓冲放大器（ISL28634），但ISL26104的高输入阻抗允许直接连接传感器，如称重传感器电桥，以确保在不使用缓冲放大器的情况下达到指定的测量精度。为了实现正确的上电复位，二极管D1、电阻R3和电容C8实现了一个简单的RC延迟，以确保PDWN在两个电源都稳定到指定水平后从低电平转换到高电平。

6.4 ISL21010

ISL21010CFH341是一款精密4.096V、低压差微功耗带隙电压基准，提供±0.2%的准确参考。它可提供高达25mA的输出电流，压差低至150mV。低电源电流、低压差和高精度使其成为精密低功耗应用的理想选择。

6.5 ISL43741

这是一款精密、双向、差分4通道多路复用器/解复用器，设计用于从单+2V至+12V电源或±2V至±6V电源供电。在(v_{S}= pm 5 v)时，其电荷注入低至1pC（最大值）。

6.6 ISL23328

ISL23328具有一个VLOGIC引脚，允许总线在低至1.2V的电压下工作，与VCC值无关。这使得低逻辑电平可以直接连接到ISL23328，而无需通过电压电平转换器。

七、性能分析

7.1 实时绘图开销

实时绘图涉及指令开销，通过启用和禁用“Grid”背景可以观察到绘图开销的影响。启用网格时，图形滚动速度会比禁用网格时慢。

7.2 USB缓冲和刷新

USB管道信息的缓冲会影响实时绘图。为了避免缓冲引入的延迟，GUI端提供了“Flush Buffer”功能。执行“flush”操作时，基本上所有缓冲的“报告”都会被丢弃，GUI应用程序在下一次“USB Read”操作中获取最新信息。刷新的优点是操作员交互的最新影响可以立即用于绘图，否则在操作员交互出现在图形中之前会显示几个读数。

7.3 测量吞吐量

• 固件设计：最新的固件允许传输所有测量值，采用中断机制，每当ADC完成一次读数时触发。中断发生时，通过SPI接口收集ADC读数，并安排通过USB传输“报告”。
• 测量方法：用户可以通过“Export”功能进行经验速度测量，观察“Firmware Count”列。如果所有读数都被收集，该列的值将从0计数到255，然后回滚到0并重新开始。绘制该列的图形时，所有测量值都被收集的情况下应得到一个完美的锯齿波形。
• 批量模式吞吐量：开发人员在各种安装上的测试表明，“Batch”模式下最多可以以400Sps（每秒采样数）的速度收集所有测量值，但这可能因具体计算机的安装因素而异。
• 实时绘图选项和刷新：在“Real - Time”绘图中，如果采样率足够慢以适应绘图和USB吞吐量开销，则可以记录所有测量值。因此，用户“AD Options”菜单中提供了“Flush On”/“Flush Off”选择。“Flush On”在较高采样率下效果更好，“Flush Off”在较低采样率下效果更好，但结果可能因安装而异。

八、总结

Intersil的“DAQ on a Stick, Strain Gauge with Programmable INAMP”参考设计为应变片数据采集提供了一个完整、便捷的解决方案。它结合了Intersil的多款高性能芯片和Renesas微控制器，通过USB Stick的形式实现了紧凑的设计。软件功能丰富，可满足不同的测量需求，同时在性能方面也进行了优化，考虑了实时绘图开销、USB缓冲和刷新等因素。电子工程师在进行应变片数据采集系统设计时，可以参考这个设计，根据实际需求进行调整和优化。大家在实际应用中遇到过哪些类似设计的问题呢？欢迎在评论区分享交流。