CN117008502A - 一种以外部基准电压校准的mcu测量电路及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器测量技术领域，尤其涉及一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，具体包括测量信号输入模块、基准电压生成模块、电源供电模块和MCU控制器；基准电压生成模块包括电压基准芯片，电压基准芯片的输出端与MCU控制器的基准电压输入端电性连接；MCU控制器被配置为测量电压基准芯片输出的基准电压，得到基准电压的内部测量值，将基准电压内部测量值与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据电压修正参数校准测量信号输入模块输出的测量信号。本发明的MCU测量电路先获得电压基准芯片输出的外部基准电压，以外部基准电压的预设的参考电压的差值来修正MCU自身电压测量的误差，进而修正传感器测量信号的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量技术领域，尤其涉及一种以外部基准电压校准的MCU测量电路及装置。
背景技术
在仪器、仪表测量领域，经常会使用单片机内部AD转换去测量温度、湿度、电池电压、气体浓度等模拟量，常用方案是使用MCU内部参考电压源或者使用外部LDO输出的电压作为参考源，但由于MCU内部电压参考源及LDO输出电压存在偏差，导致MCU的电压基准源不精准，这样就使得MCU内部模数转换模块在转换过程中出现偏差。
VREF参考电压取外部LDO输出或者MCU内部参考电压作为基准电压源，由于MCU内部参考电压及LDO输出电压存在偏差，如瑞萨R7F0C003_004系列内部参考电压范围在1.38-1.50之间，LDO输出精度在±2%，这种较大的偏差会导致参考电压跟随出现较大程度的偏差，最终影响测量结果。
因此需要一种能够解决MCU内部参考电压偏差问题的测量电路及装置，以较高精度实现传感器信号的接收，进而提高测量精度。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路及装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，具体包括测量信号输入模块、基准电压生成模块、电源供电模块和MCU控制器；
测量信号输入模块的输入端与传感器通信连接，且输出端与MCU控制器的测量信号输入端电性连接；
基准电压生成模块包括电压基准芯片，电压基准芯片的输出端与MCU控制器的基准电压输入端电性连接；
电源供电模块与测量信号输入模块、基准电压生成模块及MCU控制器的供电端电性连接；
MCU控制器被配置为测量电压基准芯片输出的基准电压，得到基准电压的内部测量值，将基准电压内部测量值与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据电压修正参数校准测量信号输入模块输出的测量信号。
作为一种优选方案，测量信号输入模块具有由三极管构成的电源控制电路，电源控制电路设于供电端，用于开闭测量信号输入模块的供电。
作为一种优选方案，MCU控制器包括AD转换模块，AD转换模块用于将基准电压转换为数字信号，从而得到基准电压的内部测量值。
作为一种优选方案，电压基准芯片为瑞萨ISL60002DIH312Z。
作为一种优选方案，测量信号输入模块的输入端与电池的输出端电性连接。
作为一种优选方案，测量信号输入模块的输入端与温度、湿度、气体浓度传感器中的一种通信连接。
第二方面，本发明还提供一种测量装置，使用如上述任一项的以外部基准电压校准的MCU测量电路。
第三方面，本发明还提供一种以外部基准电压校准的MCU测量方法，具体包括：
获取外部基准电压及测量信号；
配置参考电压；
将外部基准电压与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据电压修正参数校准测量信号输入模块输出的测量信号。
作为一种优选方案，参考电压为1.25V。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的MCU测量电路及装置先获得电压基准芯片输出的外部基准电压，以外部基准电压的预设的参考电压的差值来修正MCU自身电压测量的误差，进而修正传感器测量信号的测量误差。
附图说明
图1为现有技术中测量电路的示意图；
图2为本发明实施例的以外部基准电压校准的MCU测量电路的结构示意图；
图3为本发明实施例的MCU控制器的电路图；
图4为本发明实施例的电源供电模块的电路图；
图5为本发明实施例的基准电压生成模块的电路图；
图6为本发明实施例的电池电压检测模块的电路图；
图7为本发明实施例的传感器接口模块的电路图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在下述介绍中提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
在描述本申请的方法之前，为了便于更好地理解本申请的方案，在此首先对现有技术中MCU的测量电路及方法做示例性说明。
在目前常用的MCU测量电路中，MCU控制器中内置AD转换模块，进行信号的数模转换。
其测量电路如图1所示，外部LDO输出或MCU内部参考电压作为VREF参考电压，MCU的ADC端连接传感器测量信号输入端。VREF参考电压取外部LDO输出或者MCU内部参考电压作为基准电压源，ADC1信号与VREF参考电压比较，并进行数模转换，输出AD值，提供传感器测量信号的电压检测结果。由于MCU内部参考电压及LDO输出电压存在偏差，如瑞萨R7F0C003_004系列内部参考电压范围在1.38-1.50之间，LDO输出精度在±2%，这种较大的偏差会导致参考电压跟随出现较大程度的偏差，最终影响测量结果。
由此，为了解决上述问题，首先在第一方面，本申请提供一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，具体包括测量信号输入模块、基准电压生成模块、电源供电模块和MCU控制器；
测量信号输入模块的输入端与传感器通信连接，且输出端与MCU控制器的测量信号输入端电性连接。
测量信号输入模块的输入端可以连接温度、湿度、气体浓度传感器，以获取相应的传感器测量信号。且连接方式不限于直接的电性连接，也可以使用无线或有线通信的方式与传感器的发送端连接、获取测量信号。
测量信号输入模块的输入端还可以连接电池，以获取电池的电极电压，进而得到电池的蓄电量数据。当直接连接电池的电极时，测量信号输入模块的结构进行相应适配以将电池的电极电压进行一定程度的转换，然后输出至MCU控制器的测量信号输入端。
基准电压生成模块包括电压基准芯片，电压基准芯片的输出端与MCU控制器的基准电压输入端电性连接。
上述电压基准芯片是一种具有高精度稳定电压输出能力的芯片，当其通电时，能够持续输出芯片预设的电压值。作为一种实际举例，电压基准芯片可以使用瑞萨ISL60002DIH312Z，其输出的基准电压为1.25V。
电源供电模块与测量信号输入模块、基准电压生成模块及MCU控制器的供电端电性连接；
MCU控制器被配置为测量电压基准芯片输出的基准电压，得到基准电压的内部测量值，将基准电压内部测量值与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据电压修正参数校准测量信号输入模块输出的测量信号。
本申请的一个实施例提供了上述以外部基准电压校准的MCU测量电路的实现，其结构示意图如图2所示，其中测量信号输入模块具有两个，分别为电池电压监测模块与传感器接口模块。
上述结构中，MCU控制器的电路图如图3所示，器件U1为瑞萨R7F0C004M2DFB，C1、C2为起振负载电容，Y1为32.768KHz晶体振荡器，R2是限流电阻，防止激励过大影响起振频率，C3、C4及C5、C6为输入单片机U1电源的退耦电容，单片机79PIN、78PIN、77PIN管脚为模拟输出引脚，80PIN为电池电压检测控制引脚，76PIN引脚为传感器接口模块电源控制引脚。
MCU控制器中内置AD转换模块，AD转换模块用于将基准电压转换为数字信号，从而得到基准电压的内部测量值。
电源供电模块的电路图如图4所示，其为单片机模块、电压基准模块、单片机检测控制模块、传感器接口模块进行供电，模块输出DC3.3V电压，P2为供电输入口，D5为防反接二极管，防止电池的正负极反接，C23、C24为输入滤波电容，滤除LDO输入端的高频信号，C25、C26、C27、C28、C29为输出端的滤波稳压电容，为后端负载提供稳定、无高频谐波的直流3.3V电压。
基准电压生成模块的电路图如图5所示，输入为3.3V电压，经过C10滤波电容后连接至电压基准芯片，电压基准芯片为瑞萨ISL60002DIH312Z型号，固定输出电压为DC1.25V，C11为输出滤波电容，固定输出电压DC1.25V作为基准电压输出从VREF端口至MCU控制器的ADC2端口。
作为上述实施例的一个进一步的具体示例，电池电压检测模块的电路图如图6所示，电池电压检测模块通过NPN型三极管Q9的通断去控制PNP型三极管Q8的导通截止，电阻R35为三极管Q9基极的限流电阻，电阻R37为三极管Q9的钳位电阻，防止三极管Q9处于不确定状态，D4为开关管，当Q9基极为低电平时，三极管Q9不导通，三极管Q8处于截至状态；当Q9基极为高电平时，三极管Q9导通，三极管Q8导通，D4阴极端的电池电压过三极管Q8再通过R33、R36两颗电阻进行分压。电容C30为1nF陶瓷电容，其作用为滤除输入端到ADC引脚的高频信号，防止干扰信号影响正常测量。经过上述电路的处理后，电池的电极电压被转换为测量信号经过VBT ADC端口发送至MCU控制器的ADC1端口。
作为上述实施例的另一个进一步的具体示例，传感器接口模块的电路图如图7所示，P3为传感接口，C31为输入单片机的引脚的滤波电容，输入单片机引脚的模拟信号是R11与传感器进行分压后的模拟信号，R12为单片机引脚输出电压的限流电阻，R1为钳位电阻，Q10位PNP型三极管，当连接至单片机引脚的SENSOR_CTL控制端为高电平时，传感器模块不供电，当SENSOR_CTL控制端输出为低时，三极管Q10导通，传感器接口模块正常供电。
在上述具体示例的作为测量信号输入模块的电池电压检测模块和传感器接口模块中，均具有由三极管构成的电源控制电路，电源控制电路设于供电端，用于开闭这两种测量信号输入模块的供电。
当上述电路上电后，电源供电模块输出DC3.3V电压，并为MCU控制器及基准电压生成模块进行供电，电压基准芯片输入3.3V电压后，从输出端输出高精度的1.25V电压，将1.25V高精度电压接入到MCU控制器的模拟接口ANI16转换口，通过公式即可以计算出单片机的真实参考电压值。
公式具体为：。
上述电路利用ISL60002DIH312Z输出的高精度（±0.4%）电压值作为基准源,利用两路输入端进行电压采样，ADC2采样ISL60002DIH312Z已知输出的VREF基准电压值（DC1.25V），然后通过MCU对VREF基准电压值测得的测量电压值，反向推导出MCU的测量误差，利用测量误差修正ADC1采样的电池电压值或ADC3采样的温度值，校准因制造工艺或者外部电源的误差所导致的MCU内部参考电压误差。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本申请的另一个实施例还提供一种测量装置，使用上述任一实施例的以外部基准电压校准的MCU测量电路，从而得到精确的测量结果。
本申请的另一个实施例还提供一种以外部基准电压校准的MCU测量方法，具体包括：
获取外部基准电压及测量信号；
配置参考电压；
将外部基准电压与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据电压修正参数校准测量信号输入模块输出的测量信号。
基于上述实施例所使用的瑞萨ISL60002DIH312Z，在一个具体的实施例中，上述参考电压被配置为1.25V。
以上者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，具体包括测量信号输入模块、基准电压生成模块、电源供电模块和MCU控制器；
所述测量信号输入模块的输入端与传感器通信连接，且输出端与所述MCU控制器的测量信号输入端电性连接；
所述基准电压生成模块包括电压基准芯片，所述电压基准芯片的输出端与所述MCU控制器的基准电压输入端电性连接；
所述电源供电模块与所述测量信号输入模块、所述基准电压生成模块及所述MCU控制器的供电端电性连接；
所述MCU控制器被配置为测量所述电压基准芯片输出的基准电压，得到基准电压的内部测量值，将所述基准电压内部测量值与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据所述电压修正参数校准所述测量信号输入模块输出的测量信号。
2.如权利要求1所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，所述测量信号输入模块具有由三极管构成的电源控制电路，所述电源控制电路设于供电端，用于开闭所述测量信号输入模块的供电。
3.如权利要求1所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，所述MCU控制器包括AD转换模块，所述AD转换模块用于将所述基准电压转换为数字信号，从而得到所述基准电压的内部测量值。
4.如权利要求1所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，所述电压基准芯片为瑞萨ISL60002DIH312Z。
5.如权利要求1所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，所述测量信号输入模块的输入端与电池的输出端电性连接。
6.如权利要求1所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量电路，其特征在于，所述测量信号输入模块的输入端与温度、湿度、气体浓度传感器中的一种通信连接。
7.一种测量装置，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的以外部基准电压校准的MCU测量电路。
8.一种以外部基准电压校准的MCU测量方法，其特征在于，具体包括：
获取外部基准电压及测量信号；
配置参考电压；
将所述外部基准电压与预设的参考电压比较，得到电压修正参数，根据所述电压修正参数校准所述测量信号输入模块输出的测量信号。
9.如权利要求7所述的一种以外部基准电压校准的MCU测量方法，其特征在于，所述参考电压为1.25V。
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Cited By (2)
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