[信息与通信]智能变送器的设计与研究.doc

潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） I 目录目录 第一章 概 述2 1.1 智能变送器的现状.3 1.2 应用前景.5 第二章 硬 件 电 路 设 计.7 2.1A 主机电路中单片机的选择8 2.2 模拟量输入通道结构.9 2.3 模数转换环节10 2.4 数据处理环节15 2.5 数模转换环节 .15 2.6 V/I 变换电路设计 17 2.7 光电耦合器选择及设计18 2.8 通信接口19 2.8.1 RS485 协议简介及 MAX485 芯片介绍 .19 2.8.2 提高 RS-485 网络可靠性的措施:20 2.9 监视定时(看门狗)电路设计：20 2.9.1 X5045 引脚介绍 21 2.9.2 工作原理： 21 第三章 软件系统24 3.1 实时测量总体流程24 3.2 标准放大模块35 3.3 ADC 模块 .35 3.4 滤波及标度变换环节 .36 3.5 DAC 模块 38 3.6 通讯模块 .39 3.6.1 RS-485 串行通信协议 .39 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） II 3.6.2 协议的格式 40 3.6.3 串行通信协议的格式 40 第四章 实际电路图.45 第五章 总 结.48 第六章 参 考 文 献48 致谢.36 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） III 智能变送器的设计智能变送器的设计 摘要摘要 近年来，随着微电子技术的发展，智能变送器对工业自动化越来越重要。智能式变 送器比电容式或扩散硅式传统变送器的价格高 50左右， 但智能式变送器的性能、功 能很优越，因此性能价格比较高。智能变送器的应用领域是非常广泛的，使用智能变送 器无疑会给社会和用户带来更多的效益。变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。 主要完成物理信号的测量和变换处理。随着生产的发展，生产规模的扩大，高参数、大容 量设备不断增加，相应的过程工艺自动化管理系统日趋复杂，变送器用量不断增多，对 性能的要求不断提高 本设计总体上从硬件电路设计和软件设计上进行了研究探讨。硬件电路设计主要包 括主机电路、过程输入/输出通道、人机接口电路和通信接口电路等功能模板。内容涉及 器件的选择和电路设计连接，通过分析与比较选定合适的芯片，达到既能满足系统的性 能需求，又可充分发挥芯片本身的性能，避免不足和浪费。设计电路时，尽可能采用经典 的线路，力求标准化；电路中的相关器件性能须匹配；为确保仪器能长期可靠运行，还须 采取相应的抗干扰措施，包括去耦滤波、合理的走线、通道的隔离等。软件设计部分主要 是设计软件系统的模块层次结构、控制流程以及数据库的结构等。这个阶段可以分为两 个部分；总体设计和详细设计。总体设计完成软件系统的模块划分，设计层次结构、确立 模块间的凋用及完成全局数据库的设计等工作；详细设计完成每个模块的内部实现算法、 控制流程以及周部数据结构的设计。 关关键词键词：智能变送器 ；模块 ；电路设计；通信 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） IV Intelligent pressure transmitter design ABSTRACT In recent years, with the development of the microelectronics technology of industrial automation, intelligent pressure transmitter becomes more and more important. Intelligent type transmitter than capacitive or proliferation silicon type of traditional transmitter around 50% of high price, but intelligent type of transmitters performance, function very superior, therefore performance price is quite high. Intelligent pressure transmitter is very wide applications, using intelligent pressure transmitter to the society and users will no doubt bring more benefit. this design overall Transmitter is industrial process important one of basic automation equipment. Main physical signal measurement and finish transformation to deal with. With the development of production, the production scale expands, high parameter, high-capacity equipment increases unceasingly, the corresponding process automation management system is complicated, transmitter to increase, dosage of performance requirements enhances unceasingly om hardware circuit design and software design were also discussed. Hardware circuit design includes host circuit, process input/output channel, man-machine interface circuit and communication interface circuit and other function templates. Content involves device of choice and circuit design connection, by analyzing and comparing the designation appropriate chip, 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） V achieve both can satisfy the system performance requirements, and can give full play to the performance of the chips themselves, avoid deficiencies and waste. Circuit design, use as far as possible classic lines, and strive to standardization; The relative device performance circuit must be matching; In order to ensure the long-term reliable operation, instrument can still must adopt corresponding anti-interference measures, including decoupling filtering, reasonable go line, channel segregation, etc. The software design part mainly design software system module structure, control process and database structure, etc. This phase can be divided into two parts; The overall design and detailed design. The overall design completed software system module partition, design structure, establishing the between modules fitted with and completed the design work global database; The detailed design of the completion of each module internal implementation algorithms, control flow and weeks of data structure design department. KEYWORDS: Intelligent transmitter; module; circuit design; communication 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 1 前言前言 变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和变换处 理。随着生产的发展，生产规模的扩大，高参数、大容量设备不断增加，相应的过程 工艺自动化管理系统日趋复杂，变送器用量不断增多，对性能的要求不断提高。 近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理 器、高精度-、AD 与 DA 变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器创 造了条件。诸如温度、湿度、流量、位移等物理量的测量与控制，如何提高系统的可 靠性与精度，减少外部连接线，量程浮动、输出信号可远传和随量程线性转移，以及 一机多用（以同一检测模板用于不同物理量的检测场合） ，并满足多种线性与非线性输 入信号的精度要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。世界上一些主要的仪表 制造厂也相继研制成功了带微处理机构各种智能变送器，开创了“智能式变送器”的 新阶段。 本设计总体上可也分为两部分，硬件电路设计和软件设计 硬件电路设计主要包括主机电路、过程输入/输出通道、人机接口电路和通信接口 电路等功能模板。内容涉及器件的选择和电路设计连接，通过分析与比较选定合适的 芯片，达到既能满足系统的性能需求，又可充分发挥芯片本身的性能，避免不足和浪 费。设计电路时，尽可能采用经典的线路，力求标准化；电路中的相关器件性能须匹 配；为确保仪器能长期可靠运行，还须采取相应的抗干扰措施，包括去耦滤波、合理 的走线、通道的隔离等。 软件设计部分主要是设计软件系统的模块层次结构、控制流程以及数据库的结构等。 这个阶段可以分为两个部分；总体设计和详细设计。总体设计完成软件系统的模块划 分，设计层次结构、确立模块间的凋用及完成全局数据库的设计等工作；详细设计完 成每个模块的内部实现算法、控制流程以及周部数据结构的设计。 本论文内容大致分为四章。 1.综述，主要分析变送器在控制系统及检测系统发展中的作用及现状。 2.硬件电路设计部分，主要是智能变送器的硬件电路的各种硬件及连接方法。 3.软件设计部分，主要是针对各个模块的应用程序，包括监视定时器、A/D 转换器、 D/A 转换器等部分。 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 2 4.联机仿真调试部分，实际电路的连线和软件的仿真运行。 第一章第一章 概概 述述 自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展，生 产规模越来越大，相应的自动化管理系统日趋复杂。由于计算机技术的高度发展和广 泛应用，近 10 年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各功能环节在信息的传 送、管理和操作上紧密配合，形成了一些高度复杂的分散型过程控制系统。在这种情 形下，智能变送器的研究发展日益得到人们的关注。 随着计算机技术的发展，微机价格的大幅度下降，PC 机和各种单片机在工业和各 行业应用中日益广泛。在控制网络中，各种测量仪表往往用单片机作数据处理单元， 而在主控室，有微机对整个生产过程的数据进行统一的现实、存储、汇总。随着工业 控制系统的发展，测量系统也逐渐发展，使得智能仪表的发展也越来越迅速。 智能变送器的发展趋势 （1）微型化 体积小、功能齐全的智能仪器,它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处 理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器 随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域 也将不断扩大。它不但具有传统变送器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、 生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如，微型智能仪器能同时测量多参数，而且 体积小，可移植性高。 （2）融合 ISP 和 EMIT 技术，实现仪器仪表系统的 Internet 接入(网络化) 伴随着网络技术的飞速发展，Internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表 系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于 Internet 的通讯能力以及对设计好的 智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。 （3）虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。 在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用 PC 机的软件来完成。因此，只要额外提供 一定的数据采集硬件，就可以与 PC 机组成测量仪器。这种基于 PC 机的测量仪器称为 虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 3 到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心， “软件就是仪器” 。 过程控制系统有以下几种发展趋势： 控制中心向现场转移，即传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能将下 放到现场，使系统将成为真正的、彻底分散的系统。 开放系统的实现，开放系统要求互连性和互操作性，即不同厂家生产的仪表、装 置应能在一个系统中协同工作。计算机网络技术与软件技术的高速发展给开放系统带 来了曙光。DI 公司(Control System International Inc)推出一种 UCOS(用户可配置 开放系统)DCS，它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、各工作站计算机及各现 场控制单元(FCU)连接起来，它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系 统采用 Windows NT，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直接访问能力，与其 连接的 I/O 子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统的将成为真正的开放系统。 智能控制技术相得到进一步应用，专家系统、模糊控制、人工神经网络等智能控制 技术，已在直接数字控制及优化控制中得到了初步应用，目前，在控制领域中，智能 控制理论与技术是一个研究热点，这种研究“热”无疑将会使智能控制技术的应用水 平得到较快的提高。 多媒体技术的应用，多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工程师将可 以坐在控制室里，从 DCS 的计算机屏幕上看到现场的真实画面，听到来自现场的声音， 以此来监视设备的关键部位。 由于智能仪表和现场总线技术的发展，过程控制的主 流系统 DCS 的结构将发生转折性变化，控制功能向现场转移和分散，专利系统将向用 户可配置(集成)的开放系统过渡。这种控制系统的发展又使智能系统成为当今控制系 统发展的热点。 由于控制系统的快速发展，而测量系统的进展却很小，使之难于满足先进的控制系 统要求。随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理 器、高精度 -、A/D 与 D/A 变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下 了扎实的物质基础。对于诸如温度、湿度、流量、位移等物理量的测量与控制，如何 提高系统的可靠性与精度，减少外部连接线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量 程线性转移，以及一机多用即以同一检测模板用于不同物理量的检测场合，并满 足多种线性与非线性输入信号的精度要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 4 同时世界上一些主要的仪表制造厂相继研制成功了带微处理机构各种智能变送器，开 创了“智能式”变送器的新阶段。 1.11.1 智能变送器的现状智能变送器的现状 目前普遍使用的变送器是以 70 年代统一的 420mA 模拟信号标准传送信号的二线 制变送器(国内还有少量四线制 010mA 信号变送器)，它们在传送信号时，模拟信号 不能简单迭加，信道为一对一，即一对导线上只能传输一个变送器输出信号，且只能 单向传输。智能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行 数字化处理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进行数字通信。使用数字通信的 信道复用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用一条通信总线并进行双向通信，大 大减少了现场信号引线，而且微处理器不但可以接收和处理传感器数据，还可将信息 反馈至传感器，从而对测量过程进行调节和控制； 可进行信息存储和记忆，能存储传 感器的特征数据、组态信息和补偿特性等；微处理器能直接对被测信号进行数字化处 理，使变送器的测量精度和量程比大为提高；具有自诊断报警功能，通电后可对传感 器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并做出判断；具有自动补偿能力，可通 过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿； 数据处理方便准确，可根据 内部程序自动处理数据，如进行统计处理、去除异常数值等。 1983 年，美国 Honeywell 公司将第一个称为 Smart 变送器的 STJ3000D 压力变送 器推入了美国国内市场，使智能变送器进入了商品化。随后美国的 Rosemount， Foxboro 等一些公司在 1986 年美国仪表学会(1SA)的会议上争相推出了一些称为 Smart 变送器的新型智能变送器系列。这类变送器具有适合各种新应用的能力，克服了以往 模拟变送器准确度不够高、漂移过大、量程有限、维护和维修费用大等一些不足。由 于这类变送器内部有微处理机，采用了数字集成化测量方式，不仅能输出 420mA 的 模拟信号，而且还能输出数字信号，实现了现场和控制室之间进行双向数字通信。这 一典型的数字通信功能缩小了测量技术与控制技术之间的差距。如果采用这种数字式 集成化测量与控制方式，就能消除许多与模拟电路有关的误差源，因而能达到更高的 性能标准。例如总的测量回路可以不用数/模转换器和模/数转换器。 此外，同传统变送器比较还具有如下特点： .具有更强的功能、更好的性能； 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 5 .校正了传感器的线性度，减少了环境温度、压力等因素对传感器的影响，使精度 提高到 0.1 .能将传感器的信号转换成工程单位； .有可组态的故障方式，可进行远距离诊断； .能远距离调整测量范围，能简单快速地完成零点和量程的校准； .能与手动终端作远距离通信； .可从手动终端读取变送器的数据； .变送备的输出可作为一个 420mA 的电流源； .减少了维护量。 由于智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，加上采用超大规 模离子注入技术及超精细加工工艺技术，它的优点是一般变送器无法比拟的： 这类变送器无论做哪一种参数的测量，都有一个共同的方式，就是都有一个主测量 传感器，产生一个微处理机能够采用的信号。 智能变送器的发展是与传感器技术和计算机技术的发展是分不开的，新一代的变送 器必然是全数字化的。 具有通讯功能是智能变送器的共有特点。用通讯方法将测量结果送入操作站，不会 损失精度。因此，比模拟信号通过 A/D 进入操作站更优越。这种智能变送器给用户带 来了极大的方便。它可以通过一个 SFC 智能现场通讯器对安装在现场的变送器进行组 态，变更，校准，自诊断，还可以将现场变送器作为一个 420mA 的恒流源来使用 （也是通过现场通讯器来实现的） 。 1.21.2 应用前景应用前景 目前，智能式变送器比电容式或扩散硅式传统变送器的价格高 50左右， 但智能 式变送器的性能、功能很优越，因此性能价格比较高。智能变送器的应用领域是非常 广泛的，使用智能变送器无疑会给社会和用户带来更多的效益。尤其在以下特殊应用 场合更能发挥其优越性。 1. 用于现场总线 根据 ISA SP50 委员会定义的现场总线概念，智能变送器将在现场总线中扮演主 要角色，具有 PID 调节功能的变送器可以进一步将集中控制的危险性分散到最小，同 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 6 时采用数字通讯，节省了大量的模拟通讯电线。目前智能变送器的价格已经接近普通 变送器的水平。而对使用者来说，可以在控制室内对现场变送器进行调整，更改量程， 组态等操作，相当方便。 2.用于特殊场合 对于现场总线尚未普及的情况，智能变送器可先用于在高空，塔顶或有毒有害气体 环境，人员不宜接近的场合，可减少维护人员的工作量及伤亡的可能性。 3.用于要求测量精度高的场合 对于一些环境温度及过程静压变化较大而要求测量精度高的场合，利用智能变送器 具有温度及静压补偿这一功能，可明显提高变送器的测量准确性，如储运系统灌区液 位的测量点，冬季与夏季，昼夜之间温差较大，很容易使普通变送器误差增加一倍， 而智能变送器却能够克服这一缺点，提高测量精度。 4.用于量程范围较大的场合 近年来，受市场经济的影响，炼油厂加工的原油性质及处理量有较大的波动，导致 部分流量的测量回路经常出现超量程或在低量程运行，而采用的 FC 系列变送器，量程 比太小（10：1） ，改量程时变送器需换型，给生产维护带来了不便，也增加了各种量 程的变送器的备用数量，增加了企业固定资金的投入。智能变送器的具有 40：1 的量 程比，很容易克服上述困难。 由于其更高的性能价格比，智能变送器不仅在二十一世纪的数字化时代，而且在现 场总线时期也是大有可为的，它的应用前景是美好的。 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 7 第二章第二章 硬硬 件件 电电 路路 设设 计计 硬件部分主要由以下几部分组成:模拟量输入通道（模拟/数字转换） ；主机电路 （数据处理；包括数字滤波、数字线性化和进行量程变换） ；模拟量输出通道（数字/ 模拟转换(包括 V/I 变换)）等几个环节。主机电路用来存储数据、程序，并进行一系 列运算处理，它通常由微处理器、ROM、RAM、I/O 端口和定时/计数电路等芯片组成， 模拟量输入/输出通道（分别由 A/D 和 D/A 转换器构成）用来输入/输出模拟量信号； 变送器还可以通过通信接口与上位机进行数字通信，进而实现网络化的需求。 系统的总体结构框图如图 2-1 所示： 此智能变送器的硬件电路设计主要包括集成测量放大器 AD623，多路模拟开 MAX358，多通道 12 位串行 A/D 转换器 MAX186，单片机 8051，8 位并行 D/A 转换器 ADC0832，具有看门狗、监视定时及串行 EEPROM 功能的 X5045，RS485 驱动收发器 主 机 电 路 （微控制器） 程序 存储 器 数据 存储 器 并行 输入 接口 并行 输出 接口 定时/ 计数 器 串 行 口 模拟量 输入电 路 模拟量 输出电 路 通信 接口 图 2-1 系统总体框图 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 8 SN75LBC184，及相应的采样保持和多路转换器。硬件电路见实际电路图 器件选择原则器件选择原则 讨论了智能变送器硬件电路和软件电路设计的总体思想，从中可以得知，硬件电路 应力求简化，把许多硬件电路很难解决的问题通过软件来解决。所以硬件设计应当注 意到各个芯片间的连接问题以及它们本身各自的功能和特性。在选择各芯片时，要注 意到芯片间的配匹问题，否则将导致 各芯片间连接电路过于复杂。这是智能型压力传 感器/变送器硬件电路设计所不可取的。而且这也导致成本上升和干扰信号增多，且功 耗变高，这些都是智能型压力传感器/变送器所要解决的问题，下面我们具体讨论各主 要芯片的特征和功能，以期它与我们的硬件电路总体设计思想相吻合。 2.1A2.1A 主机电路中单片机的选择主机电路中单片机的选择 MCS- 51 单片机是 Intel 公司推出的高档 8 位单片机。它的兼容性能非常好，性能 也很好。它的有些产品有 4K 甚至 8K ROM，内部数据存贮器 RAM 容量为 128B(不包括专 用寄存器)，MCS-51 系列单片机输入/输出口线为 32 根，即有 4 个输人/输出口，它可 以对 64KB 的外部数据存贮器寻址，也可以对 64KB,60KB 和 56KB 的外部程序存贮器寻 址空间寻址(根据型号不同),MCS-51 系列单片机有 2 个 16 位定时器/计数器，它可利用 两根 I/O 口线作为 334 个通用工作寄存器区，共 32 个通用寄存器，以适应多种中断或 子程序嵌套的情况。Intel 公司还为 MCS-51 单片机设计了 5 个中断源，分为 2 个中断 优先级，且每个中断源的优先级是可编程的。同样，MCS- 51 单片机的堆栈位置是可编 程的，堆栈深度可达 128 字节。Intel 公司还为 MCS-51 单片机设计了 1 个由直接可寻 址位组成的布尔处理机，即位处理机，同时在指令系统中包含了 1 个指令子集，专用 于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题，值 得一提的是，MCS-51 有一个功能非常强的指令系统，它含有加法、减法、乘法、除法、 比较、堆栈操作(压入和弹出)和多种位操作指令，当所采用的振荡器频率为 12MHZ 时， 它的大部分指令执行时间为 ls，少部分为 2s，乘法和除法指令的执行时间也只有 4s。 我们由以下 MCS-51 系列单片机的一些特点和性能可以看出，MCS-51 系列单片机是 非常适用于智能化仪器仪表的微机选择的。本课题硬件电路设计中首先应确定单片机 机型，根据自己对单片机的熟悉程度和智能变送器的性能指标要求，我选择了 8051 单 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 9 片机，根据以上的分析，8051 都带有 4K ROM,无需外部扩展，因此，采用 MCS-51 系列 的 8051 单片机。 8051 单片机的应用模式单片机的应用模式 通常，按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最 小功耗系统、典型系统等。智能型压力变送器力图采用最小功耗系统，使得整个系统 运行的功耗最小。这样，我们采用 CMOS 工艺的单片机供应状态。但是，对于智能型变 送器，它要完成工业测、控功能所必须具备的硬件结构系统。这种系统又属于典型应 用系统。比如我们的智能型压力变送器的系统扩展是指在单片机中的 ROM,RAM 及 1/O 口等片内部件不能满足系统要求时，在片外扩展相应的部分。这样，我们在片外扩展 了 ROM。所以本设计采用了单片机的最小功耗系统和典型系统相结合的方式。以求达到 最佳的配置状态，当然，在设计时我们应该注意到硬件与软件相结合的问题，我们不 能只追求它的单方面，8051 单片机尽管属于比较旧的一种机型，但是它的功能能够满 足智能型压力送送器的要求，这就是我们在采用它的时候充分考虑的，而且它的价格 也不贵，这充分体现了性价比高的要求。当然，8051 单片机也有其不足之处，这些缺 点我们可以尽量通过软件来克服和避免。 2.22.2 模拟量输入通道结构模拟量输入通道结构 模拟量输入通道（简称模入通道）一般有滤波电路、多路模拟开关、放大器、采样 保持电路（S/H）和 A/D 转换器组成，其中 A/D 转换器是数/模转换的主要器件。 模入通道有单通道和多通道之分。多通道的结构又可以分为以下两种： 每个有独自的放大器、S/H 和 A/D，结构如下图所示，这种形式通常用于高速数据 采集系统，它允许各通道同时进行转换。结构如图 2-2 图 2-2 具有各自放大、S/H、以及 A/D 的结构 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 10 多路通道共享放大器、S/H 和 A/D，其结构见图。这种形式通常用于对数据要求不高的 数据采集系统中。由多路模拟开关轮流采入各通道模拟信号，经放大、保持和 A/D 转 换送入主机电路。 图 2-3 共享放大、S/H、以及 A/D 的结构 本题目中，由于待测数据变化并不非常急剧，且路数较少，所以采用共享结构即可满 足要求。如图 2-4 图 2-4 实际共享电路 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 11 2.2.3 3 模模数转换环节数转换环节 信号采集系统主要包括模拟电路和数字电路。从信号通路来说 A/D 变换之前是模拟 电路之后是数字电路。模拟电路和 A/D 变换电路决定了系统的信噪比，而这是评价采 集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通常要想办法抑制系统中噪声对模拟和 A/D 电路的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生并串入模拟及 A/D 电路的噪声普遍存 在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺，通 常对开关电源影响比较大。因此设计选择了光电耦合器件 6N136。6N136 信号从脚 2 和 脚 3 输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏二极管 光照后导通，经电流电压转换后动到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能 端，当使能端为高时经与门输出为高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电 平。当输入电流小于触发阀值或使能端为低时，输出为高电平，但这个逻辑高是集电 极开路的，可针对接收电路加上上拉电阻或电压调整电路。本设计中应在 RS485 总 线驱动收发器和单片机之间加上光电隔离器，以防止电压过高，损坏单片机。 放大环节由高性能的集成仪表放大器 AD623 和非易失性数控电位器 X9241 组成。利 用程序，采用程控改变运放的反馈电阻来实现可变增益的放大器。非易失性数控电位 器克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电 记忆。设计采用的电路具有增益范围宽，成本低，适用单片机数据采集系统作为传感 器与 ADC 之间的信号放大器。 下面具体介绍 AD623 与 X9241： AD623 是一个集成单电源仪表放大器，其引脚如图 2-5，该芯片内含 3 个运算放大 器，它能在单电源下提供满电源幅度的输出。AD623 允许使用单个增益设置电阻进行增 益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合 8 引脚的工业标准配置。在无外接电阻的 条件下，AD623 被设置为单倍增益，在接入外界电阻后，AD623 可编程设置增益，且其 增益最高可达 1000 倍。AD623 通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而 保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达 200HZ 时仍保持恒定而受 到抑制。AD623 具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于地电平 150mv 共模电压 的信号，虽然 AD623 是按照工作于单电源方式进性的优化设计，但当它工作于双电源 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 12 （2.5V 至6.0V）时，仍然能提供优良的性能。低功耗（3V 时 1.5mW） 、宽电源电压 范围、满电源幅度输出，使 AD623 成为本课题设计的理想选择。 AD623 的特性 A. DC 特性 0.1%增益误差（G=1） 0.35%增益误差（G1） 25ppm 增益漂移（G=1） 200V 最大输入失调电压（AD623A） 2V /最大输入失调漂移（AD623A） 100V 最大输入失调电压（AD623B） 1V /最大输入失调漂移（AD623B） 25nA 最大输入偏置电流 B. 噪声 35nV/ Hz 针对输入端（RTI）噪声1kHz（G=1） C. 良好的 AC 特性 最小 90dB 共模抑制比（CMRR） （G=10） 最小 84dB 共模抑制比（CMRR） （G=5） X9241 是把四个非易失性数控电位器集成在一个单片的 CMOS 微电路中。 X9241 包含四个电阻阵列，每个阵列包含有 63 个电阻单元，所有的四个电位器 分享串行接口并分享一个公共的结构。每个电位器包括一个电阻阵列、一个滑动端计 数寄存器以及 4 个数据寄存器。在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问 的抽头点。滑动单元在阵列中的位置由用户通过二线串行总线接口控制。每个电阻阵 列，与一个滑动端计数寄存器（WCR）和四个 8 位数据寄存器联系在一起，这四个数据 寄存器可以由用户直接写入和读出。滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列 中的位置。数据寄存器可以由用户读出和写入。数据寄存器的内容可以传输到滑动端 计数寄存器以 设置滑动端的位置。当前滑动端的位置可以被传输到与它相联系的任一 个数据寄存器。这些阵列可以串联起来成为具有 127、190 或 253 个抽头的电阻元件。 X9241 引脚及其说明引脚及其说明： 主要引脚：串行时钟（SCL） 用于时钟脉冲触发数据输入和输出 X9241 图 2-5 AD623 芯片引脚 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 13 串行数据线（SDA） SDA 是一个双向的引脚， 用来向器件输入和输出数据。它是一个漏极开路 输出，因此可以与任何数目的漏极开路或集电极 开路输出进行线或。漏极开路输出需要使用上拉 电阻。 地址线（A0A3） 地址输入端用来设置8位从属地址的低4位。从属地址的串行 数据流必须与输入地址相匹配以便开始与X9241的通信 图 2-6 X9241引脚图 表 2-1 X9241 引脚功能 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 14 X9241 工作原理工作原理： X9241 是包含了四个电阻阵列以及它们有关的寄存器、计数器和在主机与 电位器间提供直接通讯的串行逻辑接口的高集成度的微电路。 (1) 串行接口 X9241 支持双向总线的定向规约。这个规约定义任何器件，当它把数据送至总线时 为发送器而当它从总线接收数据时为接收器。一个控制传输的器件是主机，而被控制 的器件则为从机。主机总是启动数据的传输并为发送和接收操作提供时钟。所以， X9241 在所有应用中被考虑成一个从属器件。 (2) 时钟和数据的约定 在 SDA 线上的数据只有在 SCL 为低的期间（tLOW）才能改变状态。当 SCL 为高时， SDA 状态的改变被保留用作表示开始或终止的条件。 (3) 开始条件 送给 X9241 所有的命令都由开始条件引导，这个条件就是当 SCL 为高时（tHIGH） ， SDA 由高至低的跳变。X9241 连续地监视 SDA 和 SCL 线上的开始条件，在遇到这个条件 之前将不响应任何命令。 (4) 终止条件 所有的通信必须由一个终止条件来结束，这个条件就是当 SCL 为高时 SDA 由低至 高的跳变。 (5) 应答 应答是一个软件规约，这个规约用来在主、从器件的总线间提供一个正的握手信 号，以表示数据接收成功。发送器件（不管是主或从）在发送 8 位数码以后将释放 SDA 总线。主器件将产生第 9 个时钟周期，而在这个期间接收器把 SDA 线拉低，作为成功 地接收了前 8 位数据的响应。 在识别出开始条件和它的从地址以后，X9241 将给出一个应答作为响应，而在成功 地接收命令字节后再一次应答。如果命令后面跟一个数据字节，则 X9241 将响应一个 最终的应答。 (6) 阵列说明 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 15 X9241 包含四个电阻阵列。每个阵列包含 63 个串联连接的分立的电阻段。每个阵 列的物理终端等效于一个机械电位器的固定端（VH 和 VL 输入端） 。 在每个阵列的二个终端以及每个电阻段之间是一个连接到滑动输出端（VW）的 FET 开关。在每个单独的阵列中，同一时间只有一个开关可以接通。这些开关由滑动端计 数寄存器（WCR）控制。WCR 中的低 6 位被译码以选择和使能六十四选一的开关。 WCR 可以直接被写入，或者它也可以通过把 4 个辅助数据寄存器之一的内容传输到 WCR 中来改变其内容。这些数据寄存器和 WCR 都可以由主系统来读出和写入。 (7) 器件寻址 在开始条件的后面，主器件必须输出它所要访问的从器件的地址。从器件的高 4 位地址是器件类型辨识符（见图 2-7） 。对 X9241 来说，这个辨识符固定为 0101B。 从器件地址的后 4 位是该器件的地址。 物理器件地址由 A0A3 输入端的状态来定 义。 X9241 把串行数据流与地址输入端的状态比 较；若要 X9241 作出一个应答响应，则必 须是 4 个比较位都成功。 （8） 指令结构 送到 X9241 的下一个字节包括指令以及寄存器指针的信息。最高 4 位是指令。后 4 位指出四个电位器中的一个，当应用是他 还指出 4 个辅助寄存器中的一个。其格式 如图 2-8 所示 4 个高位决定了指令。接着二位（P1 和 P0）选择四个电位器中的哪一个。最后两位（R1 和 R0）选择四个寄存器中的一个， 当一条与寄存器有关的指令发出时，该寄存器将受影响。 2.2.4 4 数据处理环节数据处理环节 本环节主要由单片机及内部程序构成，硬件为单片机及附加电路，主要工作为软 件处理采集到的数据，将在软件部分进行讨论。 图 2-7 从器件的地址 图 2-8 X9241 指令字节的格式 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 16 2.52.5 数模转换环节数模转换环节 目前的很多 A/D 转换芯片已经在内部集成了采样 保持功能，所以采用此类芯片可以不必连接外部采 样保持电路，如美国 MAXIM 公司的 MAX186/MAX188 芯片内含 8 通道多路切换开关、高带宽跟踪/保持器、 12 位逐次逼近 A/D 转换器、串行接口电路等， MAX186 自带 4.096V 的参考基准源(MAX188 需外加参 考基准源)，本身即为一完整的单片 12 位数据采集 系统。图 2-9 给出了 MAX186 结构框图。 MAX186 转换速度最高可达 133ksps，同时提供了 SHDN 引脚和两种软件可选关断模 式，使它能通过在两次转换之间处于关断模式而使功耗达到最低。 MAX186 的引脚说明的引脚说明 MAX186 为 20 脚 DIP 器件(如图?所示)。CH0-CH7 为模拟信号输入。为三 态关断模式输入脚，将拉低可进入关断模式，此时最大工作电流仅为 10A， 将拉高使参考缓冲放大器处在内部补偿模式，浮空则为外部补偿模式。VREF为模 数转换的参考电压端，当采用外部精密参考源时也可作为输入。REFADJ 为参考缓冲放 大器的输入脚。SCLK 为数据输入输出用的移位时钟，在外部时钟模式下 SCLK 还作为逐 次逼近 A/D 转换用的时钟信号(占空比需在 40%至 60%之间)。为低电平有效片选信 号，只有在为低时，SCLK 脉冲才能把串行数据从 DIN 脚移入芯片，为高电平时， DOUT 处于高阻态，便于扩展多个芯片。DIN 为串行数据输入脚，DOUT 为转换结果的串 行数据输出端。SSTRB 为串行选通输出，表明本次 A/D 转换已完成可以读取数据，在内 部时钟方式下，当 MAX186 开始 A/D 转换时 SSTRB 变低直至 转换完毕才变高，在外部 时钟模式下，在转换结果最高位(MSB)出现前 SSTRB 线上产生一个宽度为时钟周期的高 电平脉冲。AGND、DGND 分别接模拟地和数字地，VDD 接正电源(+5V)，VSS 接负电源(- 5V)或地。 MAX186 的转换时序 MAX186 每次转换前需写入一个控制字节。当为低 时，在 SCLK 同步脉冲上升沿作用下通过 DIN 端逐位移入 图 2-9 MAX186 内部框图 图 2-10 MAX186 引脚 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 17 MAX186 内部寄存器，变低后的第一个逻辑“1”定义为控制字节的起始位。表 2-2 为控制字节的格式。 START 为控制字节的起始位始终为 1。SEL2、SEL1、SEL0 为三位选择转换通道。 选择单极性或双极性，=1 为单极性(模拟信号范围 0 至 VREF)输出为 直接二进制码，=0 为双极性(模拟信号范围-VREF/2 至+VREF/2)输出为 2 的补 码。选择单端输入还是差分输入，=1 为单端输入，输入信号以 AGND 为参考，=0 为差分输入。PD1、PD0 选择时钟和关断模式。 MAX186 使用外部串行接口时钟或内部时钟实现逐次逼近 A/D 转换，两种方式下均 由外部时钟信号 SCLK 将数据移入和移出。图 3 为外部时钟方式转换时序图。当控制字 节的最后一位移入后，SSTRB 线上产生一个宽度为时钟周期的高电平脉冲，随后 SCLK 上出现的 12 个下跳沿将转换结果逐位移出。CS 变成高电平后，SSTRB 和 DOUT 均进入 高阻态。外部时钟模式下 A/D 转换的进行与转换结果的读出之间有严格的时序要求， 对 SCLK 信号的频率和占空比也有要求，SCLK 的周期不能大于 10s，否则采样保持电 容上的电荷泄漏会影响转换精度。图 4 为 16 个时钟周期完成一次转换的时序图。 2.62.6 V/IV/I 变换电路设计变换电路设计 本部分主要由多通道模拟开关 MAX358 及放大器组成。具有多路转换及 V/I 变换功 能。由于设计为八个通道采集输入和八个通道分别输出的系统，所以用 8 选 1 的模拟 开关 MAX358。根据 CPU 给出的地址信号进行地址译码，方便地选择其输入通道使输入 与输出相连通。采样保持集成电路 LF398 位国家半导体公司生产的，具有采样速度快， 保持下降率低及精度高等特点。片内不含保持电容 CH，用户可根据自己的需要选择不 同的 CH 外接，一般选择电解电容，当保持电容为 0.01uf 时，信号达到 0.01精度所 需要的获取时间（采样时间）位 25us，其下降速率为 3mv/s。即使输入电压等于电源 电压时，也可以将输入直接耦合到输出端。V/I 变换则采用放大器构成反向输出求和电 表 2-2 控制字节格式 Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0 STAR T SEL2SEL1SEL0PD1PD0 潍坊学院专科毕业（论文）潍坊学院专科毕业（论文） 18 路，当 D/A 转换器输出为 0 时，只有+1V 作用，经过 250 欧的电阻产生 4ma 直流信号， 当 D/A 转换器输出为+5V 时，两个电源为求和电路，5V 信号经过 312.5 欧的电阻产生 16ma 信号，两者叠加共产生 20ma 直流信号。其电路连接如图 2-11 所示。 2.72.7 光电耦合器选择及