（控制理论与控制工程专业论文）真空阀自动检测平台的设计.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 删 y 17 3 9 5 5 ”3 ” 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：眨隆日期：兰堕蚓 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 捅要 随着汽车工业的发展，汽车真空阀的应用越来越广泛。本文设计了一种用于汽车真空 阀生产检测和出厂试验的自动检测平台，在单片机和p c 机的联合控制下，完成对真空阀主 要参数的自动测试。由以前的人工操作改为现在的自动检测，大大提高了检测精度并改善 了操作环境。 在真空阀测控系统中，以单片机作为下位机，p c 机作为上位机，通过串行口r s 2 3 2 实现串行通信。整个系统由电源模块、数据采集模块和上位机监测模块三个部分组成。电 源模块为真空阀提供各种工作状态下的脉冲检测电源，其频率、占空比和幅度可调。数据 采集模块以单片机为控制核心，对真空阀的流量和压力等参数进行检测和显示，并将真空 阀状态反馈给上位机。上位机通过r s 2 3 2 得到系统工作情况后，通过用户界面在p c 机中实 时反映出来，生成各种工作状态下的曲线。同时上位机根据设定的参数指示下位机做出相 应的反应，控制检测平台的动作，并且做出被测真空阀合格与否的判断。 整个系统结构紧凑、性能可靠、使用方便，且在不选用p c 机时仍是一个完整的系统。 系统设计的脉冲电源部分频率和占空比精度极高，已成功应用于汽车真空阀的生产检测， 为企业创造了显著的经济效益。 关键词：真空阀；单片机；脉冲电源；数据采集；自动检测 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y , t h ev a c u u mv a l v ei sw i d e l ya p p l i e d t h i s p a p e rd e s i g na na u t o m a t i cd e t e c t i n gp l a t f o r m f o rp r o d u c t i o nt e s t i n ga n dd e l i v e r yt e s t i n go f v a c u u mv a l v e t h ep l a t f o r mc o u l dt e s tt h em a j o rp a r a m e t e r so fv a c u u m s o l e n o i dv a l v e a u t o m a t i c a l l yb yt h ec o n t r o lo fm c ua n dp c t h i ss y s t e md e v e l o pam a n u a lo p e r a t i o nt o a n a u t o m a t i co p e r a t i o nw h i c hg r e a t l yi m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n di m p r o v et h eo p e r a t i n g e n v i r o n m e n t i i lt l l es y s t e md e s i g n ，w er e g a r dt h em c ua st h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n e ，p ca st h ep o s i t i o n m a c h i n e ，a n dr e a l i z et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt h r o u g hs e r i a lp o r tr s - 2 3 2 t h es y s t e mc o n s i s t s o ft h r e ep a r t si n c l u d et h ep u l s ep o w e rm o d u l e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dm ep cm a c h i n e m o n i t o rm o d u l e t h ep u l s ep o w e rm o d u l ep r o v i d ead e t e c t i n gp u l s ep o w e rf o rv a c u u mv a l v e u n d e rav a r i e t yo fw o r k i n gc o n d i t i o n ，o fw h i c ht h ef r e q u e n c y , d u t yc y c l ea n da m p l i t u d ea r e a d j u s t a b l e t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ew h i c hc o n t r o l l e db ym c u d e t e c ta n dd i s p l a yt h e p a r a m e t e r ss u c ha sf l o w sa n dp r e s s u r ef o rv a c u u mv a l v e ，a n df e e d b a c kt h e s t a t u so fv a c u u m v a l v et ot h ep o s i t i o nm a c h i n e t h ep cm a c h i n em o n i t o rm o d u l ew h i c hc o m m u n i c a t ew i t ht h e m c u b ys e r i a lp o r tr s 2 3 2g e n e r a t ec u r v eo fav a r i e t yo fp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ，c o n t r o lt h ed e t e c t i o np l a t f o r ma n dj u d g et h ev a c u u mv a l v e sw h e t h e re l i g i b l e o rn o t t h ew h o l es y s t e ma r ec o m p a c t ，r e l i a b l e ，a n di ti ss t i l li sac o m p l e t es y s t e mw h e nw ed on o t u s et l l ep cm a c h i n e t h ep u l s ep o w e rw h i c hp r o v i d ea ne x t r e m e l ya c c u r a t eo ff r e q u e n c ya n d d u t yc y c l eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h em o t o r c a rv a c b b l t i v a l v e sm a n u f a c t u r e r s ，a n d c r e a t e ds i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：v a c u u mv a l v e ；m c u ；p u l s ep o w e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；a u t o m a t i cd e t e c t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1研究意义1 1 2国内外研究现状l 1 3 检测系统方案结构1 1 3 1 方案的技术目标1 1 3 2 检测项目的确定2 第二章系统组成原理3 第三章电源模块5 3 1d d s 芯片a d 9 8 3 4 介绍5 3 2 三角波产生电路6 3 3 脉冲信号产生电路9 3 4 真空阀驱动电路：l l 3 4 1 光耦隔离电路1 1 3 4 2 幅度控制电路1 1 3 4 - 3 驱动控制电路一1 2 第四章数据采集模块1 4 4 1 信号处理单元一1 4 4 2 线路选择单元1 5 4 3 模数转换单元1 6 4 3 1a d 9 7 6 芯片介绍l6 4 3 2a d 9 7 6 与单片机的连接1 8 4 4 输出显示单元19 4 4 1m a x 7 2 1 9 芯片介绍2 0 4 4 2m a x 7 2 1 9 与单片机连接2 2 4 5 数据存储单元2 3 4 5 11 2 c 总线介绍2 3 4 5 21 2 c 总线的工作原理2 3 4 5 31 2 c 总线的通信时序2 4 4 5 41 2 c 总线的软件模拟2 5 第五章上位机监测模块2 8 5 1 串口通信介绍2 8 5 2 上位机与单片机接口2 9 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 5 3 串行通信控件介绍。3 0 5 4 上位机监测系统功能3 2 第六章系统软件实现。3 4 6 1 单片机程序部分。3 4 6 1 1 三角波信号产生子程序3 4 6 1 2 键盘扫描子程序3 5 6 1 3 液晶显示子程序3 5 6 1 4a d 转换子程序3 6 6 1 5 数据存储子程序3 7 6 2 上位机监测程序部分3 7 第七章结束语3 9 参考文献4 0 致谢4 2 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 研究意义 真空阀是工作压力低于标准大气压的阀门，属于执行器。主要用于气动控制系统中， 按照控制的要求来调整或压缩空气的各种状态，从而达到自动控制的目的。其基本工作 原理是：真空电磁阀里有密闭的腔，在不同位置丌有通孔，每个孔都通向不同的气管， 腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控 制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的 排气管，然后通过气体的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械 装置动，这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动【l 】。 现代汽车的自动化程度越来越高，真空阀广泛应用于汽车发动机的电喷系统和防抱 死制动系统等。真空阀性能的好坏直接关系到汽车的操作性能，甚至关系到驾驶人和乘 客的生命安全，一旦有不合格的真空阀安装到汽车上，就有可能造成极大的安全事故。 因此，作为真空阀生产厂家，有必要对生产出来的每个真空阀的性能进行测试，综合判 断真空阀质量是否合格。为此，我们开发了真空阀自动检测平台，对真空阀的性能进行 自动检测，保证不合格的产品不出厂。 1 2 国内外研究现状 目前，国内使用的真空阀检测仪是手动检测台。这种手动检测台操作复杂且效率低 下，对检测人员要求较高，需要检测人员时刻紧盯压力表，操作人员的劳动强度非常大， 速度也较慢。通常操作人员都是通过听声音、看压力表上升或下降来判断电磁阀是否合 格，因此很可能产生较大的误差，导致检测精度不理想。发达国家使用的真空阀检测仪 都是自主开发的自动检测台，没有通用的产品。因此，研发具有我国自主知识产权的真 空阀自动检测平台，对于推动我国汽车工业发展具有重要的意义。 针对真空阀的检测内容、检测方法及检测设备，目前仍尚无完整的国家标准或行业、 企业标准可供参考。各企业只是根据经验，制定简单的检测标准，并未将其量化和标准 化。我们将通过实验，把检测步骤量化，制定一个标准，通过微控制器来检测电磁阀， 使误差最小化。本系统根据现有的检测系统进行改进，由以前的人工操作、人工判断改 为现在的自动控制操作、自动检测，大大提高了检测精度。 1 3 检测系统方案结构 1 3 1 方案的技术目标 检测系统用于真空阀的生产检测，也用于真空阀的出厂试验，考虑到该检测系统将 纳入生产过程，成为真空阀生产的必要工艺流程之一，因此检测方案的确定既要考虑能 全面反映产品的内在质量又要考虑跟得上生产流程的速度，本系统开发一个在上位p c 第2 1 ) 真 检 2 ) 对 1 3 2 被测真空阀技术参数及检测项目如下： 1 ) 要求真空阀检测脉冲电源提供电压范围o 4 0 v ，电流0 3 0 a ，工作频率范围 0 , - , 1 0 0 0 h z ；占空比改变范围0 - - , 1 0 0 ； 2 ) 真空阀流量、泄漏量和压力的测定，流量范围1 0 l m i n 1 2 l m i n 和7 0 l m i n ，精度： 0 0 1 l m i n 。阀的泄漏量范围：肚0 2 l m i n ； 3 ) 响应时间，电压打压和释放时间，真空打压和释放时间的测定： 4 ) 工作电流、吸合电压、释放电压、保持电压的测定； 5 1 短路、断路、压力偏低、压力偏高时自动报警。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 第二章系统组成原理 原有的真空阀手动检测系统主要是硬件上实现了真空阀的手动检测，系统本身是比 较稳定的，但是对于操作人员来说存在一定的不安全因素。一是系统发生故障时，及时 处理的问题，二是操作环境的问题。针对上述问题，本系统开发一个在p c 机和单片机联 合控制下的真空阀自动检测系统，增加了系统的实时监测功能，并改善了操作环境。 真空阀检测自动检测系统由三大部分构成：电源模块、数据采集模块和上位机监测 模块。电源模块为真空阀提供各种工作状态下的脉冲检测电源，其频率、占空比和幅度 可调。数据采集模块以单片机为控制核心，对真空阀的流量和压力等参数进行检测和显 示，并将真空阀状态反馈给上位机。上位机通过r s 2 3 2 得到系统工作情况后，通过用户 界面在p c 机中实时反映出来，生成各种工作状态下的曲线。同时上位机根据设定的参数 指示下位机做出相应的反应，控制检测平台的动作。 脉冲电源模块是系统的重要组成部分，包括单片机、三角波产生电路、d a 转换电 路、驱动电路，高速比较电路、串行接口电路以及键盘和显示电路，其硬件原理如图2 1 所示。在系统中，利用d d s 芯片a d 9 8 3 4 产生频率可调的三角波，该三角波与一个参考 电压比较之后产生占空比可改变的脉冲波形，再经过后级的的驱动电路控制幅度和增大 电流，以驱动真空阀。此外，人机接口采用键盘和l c d 显示，通过r s 2 3 2 串口与上位机 进行通信，这样还可以通过上位机来控制脉冲电源的频率、占空比和幅度等参数。 键盘一p 竺里_ 单片机 一- d a 转换譬翟矗荔电i ! 竺! 警一-转换- 一- 驱动电路二= ：i i 一一 一一 p c 机 一，孤磊i j 一登皇鼍一j 图2 1 脉冲电源硬件原理图 数据采集模块主要完成对真空阀通电电压、电流、进气口流量、出气口流量和真空 筒气体压力的检测和显示，其流程图如图2 2 所示。气体流量和压力经过传感器之后转化 成为相应的电信号，经过信号调理电路之后转化成为与a d 采样芯片匹配的电信号，该 信号经过a d 转换之后转换成为与单片机对应的数字信号，单片机经过数据分析处理后， 对输出结果进行显示和存储。 流量压力 。一一 一一，传感器- 信号调理 一 一一丫一 输麓豕一一分赫理采撼制 图2 2 数据采集模块流程图 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 上位机监测模块主要执行数据的集中管理操作( 控制、显示、打印) ，准确的完成真 空阀工作状态参数的测试，并作出合格与否的判断。数据处理和分析操作都十分方便， 可以大大提高现场信号的实时监测和真空阀检测精度。对操作人员来说人机界面良好， 简单易懂，工作环境得到了改善。本系统选用的上位机具有两个标准r s 2 3 2 串行通信接 口，能同时与电源模块和数据采集模块进行串口通信。 电源模块，数据采集模块和上位机监测模块组成的整个系统硬件原理如图2 3 所示， 经过试验证明整个系统结构紧凑、交互性好，使用方便、性能稳定可靠，具有较高的应 用价值。 _ 一翼- 脉冲电源 r s 2 3 2 t x d! 上位p ( 帆! 一 l - - - 。- - - - - - 。- - _ 。1 。1 。一。- 。p 。一 v x dr s - 2 3 2 lr x d l # 嘤野鹰门 真空筒r 墨：三毛蠢- j 霎i _ 一 _ 一“o 卜_ ：二= 二= 一二 r _ 一 真空筒：l 一堕i 墨一篓里塑_ ：l 孥； l 一塑t 玉兰| 丫 一_ 卜一压力控制 【一1 一 图2 3 系统硬件原理图 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第三章电源模块 汽车真空阀工作电源的实际运行状态异常复杂，主要是电源电压幅度、频率、占空 比等运行参数的随机性。因此本文设计了一种便于模拟汽车真空阀实际工作状态的电 源，对真空阀在汽车中各种工作状态下的质量要求，进行模拟测试，以检验真空阀在实 际运行过程的动态性能。本系统设计的真空阀检测脉冲电源以单片机为控制核心，采用 d d s 芯片a d 9 8 3 4 生成波形发生器，引入键盘和液晶显示，输出频率为0 , - - - 1 0 0 0 h z 、占 空比为0 - - 1 0 0 、幅度为啦3 6 v 范围任意设置，且实时显示的p w m 信号。 3 1d d s 芯片a d 9 8 3 4 介绍 直接数字频率合成( d d s ) 技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成 技术【2 】。它以一个固定频率精度的时钟作为参考时钟源，通过数字信号处理技术来产生 一个频率和相位可调的输出信号。a d 9 8 3 4 是a d 公司采用先进的d d s 技术，将一个相位 调制器、只读存储器和一个l o 位d a 转换器集成在一个单一的c m o s 芯片上的数字控制 式振荡器。包含一个控制器存器，两个频率寄存器和两个相位寄存器。a d 9 8 3 4 特性如 下： 1 ) 在时钟输入为5 0 m h z 时频率分辨率可达n o 1 8 h z ，输出正弦波、方波和三角波信号 的峰峰值为0 5 v ； 2 ) 高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持； 3 ) 兼容3 线的s p i 串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机和可编程器件的使用； 4 ) 增益误差和总谐波失真低。 a d 9 8 3 4 核心部分包括：相位累加器、波形存储器、数模转换器和低通滤波裂3 1 ，内 部结构如图3 1 所示其基本工作原理是在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的 相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读 出，经d a 转换和低通滤波后输出正弦信号。其中相位累加器是一个可变模的计数器， 它用于在每次获取一个时钟脉冲时累加存贮的值。当计数器溢出时，它就重新计数，使 得相位累加器的输出是连续的【4 】。频率控制字用来设置计数器的模，以此来有效的改变 相位的增量幅度增加量越大，计数器就越快溢出，从而输出的频率也就越高。 茹一熟一一篇 一一一 麓- 一勰- 一一 一 图3 1a d 9 8 3 4 1 内部结构图 a d 9 8 3 4 的输出频率、参考时钟和控制字的关系由下式决定：厂= k 拳厶2 ， 其中：厂为输出频率，k 为频率控制字，f c l k 为外部参考时钟频率，n 为相位累加器的位 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 数，n = 2 8 。a d 9 8 3 4 为s s o p 封装，有2 0 个引脚，引脚图如图3 2 所示。 a d 9 8 3 4 弓1 脚功能描述如表3 1 所示 f s a d j u s rd u l b r e f o l r r 1 0 l r r c o m pa g n d a v d dv n d v d ds 啪r r 0 u t f s y n c s c u ( s d a 玉 s l e ：日 r e s 盯 图3 2a d 9 8 3 4 弓1 脚图 表3 1a d 9 8 3 4 弓1 脚功能表 引脚名称 功能 lf s a d j u s t d a c 满度输出调制，需要和i a g n d 之间接一个电阻 2r e f o u t参考电压输出端 3c o m p 片内d a 偏置电压 4a v d d 模拟电压输入 5 d v d d 数字电压输入端 6c a p d v d d 转换产生2 5 v 电压输出端 7 d g n d 数字地 8 m c l k 外部参考时钟源输入端，为芯片提供系统时钟 9f s e l e c t 频率选择，j ：j 于选择内部两个频率寄存器 1 0p s e l e c t 相位选择，用于选择内部两个频率寄存器 1 lr e s e t 复位控制端 1 2 s l e e p 低功耗控制端 1 3s d a t a串行端口数字输入信号 1 4s c l k串行端口时钟输入信号 1 5f s y n c串行端口同步信号，逻辑低使能串行端口 1 6s i g n b i t o u t方波信号输出端 1 7v i n 内部比较器输入端 1 8a g n d 模拟地 1 9i o u t止弦三角电流信号输出端 2 0t o u t b止弦三角电流信号输出端 3 2 三角波产生电路 单片机控$ i j d d s 芯片a d 9 8 3 4 t 作产生三角波的电路如图3 3 所示，其中第1 9 引脚 1 0 u t 端达到满刻时度输出电流为1 0 眦删。e = 1 8 x 册u r 如r ，电路内部基准电压幅 d k 肛肛嗍舭阻阻 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 度为圪e m 泖= 1 2 0 v ，足e r 就是与f s a d j u s t 端子相连的电阻，即尺l ，通常取值6 8 k f l 。 则加z 黝= 1 8 x 1 2 6 8 = 3 1 8 m a ，输出峰值电压为= 3 1 8 m a 2 0 0 q = 0 6 3 6 v 。 为了降低输出噪声，模拟电源a v d d 和数字电源d v d d 要分开供电，并都加上去耦电容， 模拟地a g n d 和数字地d g n d 也要分开，p c b 布局时两个接地端分别走线，并在一点相 连，以保证数字回流不干扰模拟输出的稳定【5 1 。串1 2 1 信号线s c l k 、s d a t a 和f s y n c 避 免从芯片下面通过，以减少高速跳变的数字信号携带的高次谐波对模拟输出的影响。在 基准电压端r e f o u t 加上0 1 u f 去耦电容，补偿c o m p 端加上0 0 1 u f 去耦电容。这些去耦 电容都应该尽量减小环路面积，并尽量靠近芯片，最大程度降低输出噪声。在三角波输 出后级应加上运放电路放大电压幅值至5 v 左右，以方便与参考电平进行比较。 丛 一一一一一一s c l k a v d d p 2 工一f s y n c c o m p ! 生l 一 堕l 一一s d a t a f s a d j u s t - t 兰! ) ，一 m c o i s l 0 一 a d 9 8 3 4 1 广_ 一 三角波 。m w c 卜一! 的u o b 1 一 广_ 删_ 坚_ 眦ki o u t ；上 o 一l 一c a p v i n 一卜兰- 1 1 3 1 c 6 上r 4 ；a “二c 5 = l 卜一一一一p o 图3 3 三角波产生电路图 在单片机对a d 9 8 3 4 芯片操作控制中，s p i 总线是控制a d 9 8 3 4 的关键，下面简单讲 述一下s p i 工作方式。a d 9 8 3 4 采用标准的s p i 串行外设总线与单片机接口，在此主要利 用s p i 总线向a d 9 8 3 4 发送频率控制字，使a d 9 8 3 4 产生符合要求的频率信号。对a d 9 8 3 4 的编程核心就是向其写入1 6 位字，所有控制都是基于这一点。由于a d 9 8 3 4 对外是s p i 接口，因此必须根据芯片要求的f s y n c 、s c l k 和s d a t a 三者之间的时序关系对其编 写程序。其串行时序如图3 4 所示，f s y n c 由高电平变为低电平，表示串口传输开始， 在s c l k 的下降沿时s d a t a 数据有效，即a d 9 8 3 4 在s c u ( 的下降沿读入s d a t a 电平状 态。主控器件应首先将s d a t a 置为所需状态，然后再将s c l k 拉低，发送位数据。串 口通信时，高位数据首先移入，低位数据后移入。 f s y c n c s c l k ，。+ 一。 一一，。， ，一一一一一 一一一、一 5 d a t a 7d 1 5 d 1 4 d 1 3 d 1 2 d1 1 d 1 0 0 9 、d8 d7 ，d 6 i 、d 5 ，、d 4 0 3 ，i ) 2 ，。dl ，d o p 一 图3 4a d 9 8 3 4 时序图 对a d 9 8 3 4 写入一个1 6 位控制字或写入一个1 6 位数据，操作时序是一样的，其具体 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 函数如下： v o i d a d 9 8 3 4 _ w r i t e c o m ( u n s i g n e d i n tc o r n ) u n s i g n e dc h a ri - o ； s c l k = 1 ； f s y n c = o ： f o r ( i = 0 ；i 1 6 ；i + + ) i f ( d a t a & 0 x 8 0 0 0 ) s d a t a = 1 ； e l s e s d 触队= 0 ； s c l k = o ； c o m _ 1 ； s c l k = 1 ； ) f s y n c = 1 ； ) 这个函数是对a d 9 8 3 4 整个控制的核心程序，其它操作包括初始化设置在内都需要 通过调用这个函数，向a d 9 8 3 4 写入适当的字才可以实现。此外，还开发了一个子程序 s e t _ f r e ( u n s i g n e dl o n gf r e q _ v a l u e ) ，其中参数f r e 叫a l u e 即为a d 9 8 3 4 输出信号的频率，调 用这个函数之后即可输出这种频率的信号。 v o i ds e t _ f r e ( u n s i g n e dl o n gf r e q _ v a l u e ) u n s i g n e dl o n gt e m pl ，t e m p 2 ； u n s i g n e di n tl s b _ d a t a , m s b _ d a t a ； t e m p l = f r e q _ v a l u e 宰2 2 8 f c l k ； t e m p 2 = f r e q _ v a l u e 木2 2 8 f c l k ； l s b _ d a t a = ( t e m p1 0 x 4 0 0 0 ) + 0 x 4 0 0 0 ； m s b _ d a t a = ( t e m p 2 0 x 4 0 0 0 ) + 0 x 4 0 0 0 ； a d 9 8 3 4 一w r i t e t o m ( l s b _ d a t a ) ； a d 9 8 3 4 - - w r i t e c o r n ( m s b _ d a t a ) ； ) a d 9 8 3 4 芯片内部有5 个寄存器，分别是一个1 6 控制寄存器、两个2 8 位频率寄存器 f r e q 0 和f r e q l 、两个1 2 位相位寄存器：p h a s e 0 和p h a s e l 。在对这些寄存器进行数据 写入操作时，前四位用来判断是写入哪一个目标寄存器【6 】，如何选择寄存器如表3 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 表3 2a d 9 8 3 4 寄存器选择表 目标寄存器 d b l 5d b l 4d b l 3d b l 2d b l ldbld b o 控制寄存器 oo 控制位 f r e q 0 olm s b1 4 位频率数据l s b f r e q l l0 m s b1 4 位频率数据l s b p h a s e 01l0xm s b1 2 位相位数据l s b p h a s e l1l1xm s b1 2 位相位数据l s b 由于一个频率寄存器为2 8 位，因此写入一个完整的频率数据需要进行连续两次数据 写入操作，首先写低1 4 位频率数据，然后写入高1 4 位频率数据。例如将数据3 f f f f 0 0 0 0 写入f r e q 0 ，首先写入4 0 0 0 ( 1 氏1 4 位) 然后写入7 f f f ( 高1 4 位) 。 3 3 脉冲信号产生电路 通过d d s 芯片产生频率可调( 0 - - 1 0 0 0 h z ) 的三角波，三角波经放大之后与一个模拟 参考电压比较，经过比较器之后，便可输出矩形波，通过改变该参考电压就能实现占空 比的调节，从而产生频率和占空比独立可调的脉冲信号，其原理如图3 5 所示。 ，l u八 t2夕八； 个 7 ： ：x心 i i 7 v 叫t 1 i t 一 0 - 一 一t 2 圳 _ _ t 一 图3 5 通过三角波产生脉冲信号不意图 如图所示，设频率为f = 去，比较电平值为“，设占空比为d ( 0 d r e fj 书 图4 3 有源低通滤波电路 4 2 线路选择单元 在真空阀检测平台中，有真空阀的通电电压、流过真空阀的电流、进气口流量、出 气口流量和真空筒压力5 路信号需要检测，而选用的模数转换芯片只有一路输入通道， 因此，需要模拟多路开关将5 路信号分别送给模数转换芯片。但是，在应用的过程中发 现模拟多路开关相邻通路之间有干扰，当信号很微弱时，干扰足以使采样信号发生畸变， 严重影响到采样精度【l 纠。因此，采用5 片c m o s 单片集成模拟开关m a x 3 1 9 来选择5 路模拟电压信号，这样就消除了相邻通路之间的干扰，信号选择电路如图4 4 所示。 m a x 3 1 9 是c m o s 单片集成模拟开关，公用端c o m 作为开关的输入，常开脚n o 作为输出信号。通过i n 脚的真值来切换开关的状态，当i n 逻辑真值为0 时，c o m 端 与n o 端断开，当逻辑真值为l 时，c o m 端与n o 端接通。在同一时刻只能有一个芯 片的i n 脚为高电平，其它i n 脚必须为低电平，否则会使3 路信号发生串扰。系统选用 译码器7 4 h c 2 3 8 来控制m a x 3 1 9 的i n 脚，7 4 h c 2 3 8 在任何情况下只有1 路输出为高 电平，其他的都为低电平，符合设计要求。v l 脚是参考电压输入端，因为逻辑电平是 t t l 电平，所以v l 脚直接连接v c c 。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 - 信罚输入丢c o mn o 一n c v + 1 2 1 4 罗控 j ra x 3 1 9 u 1 5 l 信镜辎叭 c o mn o 一n c v r 扛g n d 嚣 鼍f m a x 3 1 9 u 1 6 一 ! 信昏输入- c o mn o 一n c v - 厂扛帮扰 j r m a x 3 1 9 u 1 7 j 信铂觚 一c o mn o 一n c v r 莅帮美 j f m a x 3 1 9 l 信销输入 c o mn o 石上n 铲c 拦 - 一一v 二 4 3 模数转换单元 三一1 2 6 i 5 1 v c c 8 一- 一一1 2 6 5 i 1 v c c 81 5 1 4 ；f 1 2l3 51 2 l l v c cl o 9 7 8 工1 2 6 5 v c c 8 叫1 2 5 1 v c c 输l i 节c y 0a * 5 y lb 掣6 y 2c u 7 y 3 r h c l y 4 g i _ c = 三 一v c c y 5 盈ac b4 7 k y 6g 2 bd 二叫 w _ l 图4 4 信号选择电路 数据采集的速度及精度很大程度上取决于模数转换芯片。为了配合单片机实现高速 数据采集，经过多方比较，本系统选用了a d 9 7 6 芯片，辅以相应外围电路实现3 路信号 的实时数据采集。 4 3 1a d 9 7 6 芯片介绍 a d 9 7 6 是a d 公司推出的一款1 6 位高速、高精度、低功耗m d 转换器。a d 9 7 6 的集成 性好，内部包含高速并行接口，可以与8 位、1 6 位单片机和d s p 接口，使用十分方便灵 活。其主要特点如下： 1 ) 采用单5 v 电源供电，最大功耗为1 0 0 m v ； 2 ) 采样速率可达1 0 0 k s p s ； 3 ) 精度高，具有1 6 位分辨率，最大积分非线性误差仅为2 l s b ，且1 6 位不失码； 4 ) 内部包含2 5 v 参考电压源和时钟； 5 ) 信号输入范围10 v 1 0 v 。 a d 9 7 6 的内部结构框图如图4 5 所示，该芯片内含开关电容式、逐次逼近型a d c 、 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 高速并行接口、转换控制逻辑及内部校准电路、内部时钟和2 5 v 内部参考电压。 c a p v 州 图4 5a d 9 7 6 功能框图 a d 9 7 6 芯片为d i p 封装，有2 8 个引脚，下面对各个引脚功能做简要描述。d o d 1 5 为1 6 位数据转换输出线。v i n 为模拟信号输入端，输入电压范围1 0 v 1 0 v ，使用 时与模拟信号源串接2 0 0 q 电阻。r e f 为外部参考电压输入端，该引脚可接内部2 5 v 参考电压，也可选用外部的参考源。a g n d l 为r e f 参考地，通常需在r e f 和a g n d l 之间连接一个2 2 9 f 的钽电容。c a p 为参考电压缓冲输出端，在c a p 和模拟地a g n d 2 引脚之间也需连接一个2 2 心的钽电容。v a n a 为模拟工作电源输入端，接+ 5 v 。v d i g 为数字工作电源输入端，接+ 5 v 。c s 为片选信号输入端，高电平时d 0 d 1 5 为高阻态。 r c 为读转换控制信号端，当c s 引脚为低电平时，在尺c 引脚的下降沿启动转换， 上升沿输出转换数据。b y t e 为字节输出选择端，低电平时，6 1 3 脚上的数据为高字节， 1 5 2 2 脚上的数据为低字节；高电平时，“1 3 脚上的数据为低字节，1 5 2 2 脚上的数据 为高字节。b u s y 为忙状态输出引脚，在a d 转换过程中为低电平，转换结束后变高， b u s y 的上升沿，转换数据先存放到输出寄存器，当b u s y 为高电平，并且尺c 为高电 平、为低电平时，数据从数据总线上输出。a d 9 7 6 有2 种工作模式，下面分别进行介 绍。 第一种转换模式的时序如图4 6 所示。在这种模式中，c s 引脚始终为低电平，尺c 下降沿启动a d 转换，该信号脉冲宽度至少为5 0 n s 。当r c 变为低电平并延迟t l 后， b u s y 为低电平直至转换数据移进输出寄存器，然后才变为高电平。该模式下的采样速 率可由r c 信号的负脉冲问隔来决定。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 r | c b u s y m o d e d a t a b u s 、1 q ，1、f，7 l 4 i - 、一 j t ： 1 3 ， _ j k i 广一、 【、 一t 3 一 一 一，tt s 卜一t r o f f a c q u i r e ( o n v e r t xa c q u i r e 水 c o n v e r t t i + 一 j n o t 蕊x 亚) 亟 毗l h h 】i - z p r e v i o u s , d a t av a l i d v a l i d - t 9 1 + 一 j t 1 4 o 叫t t i o 图4 6 c s 固定为低电平时的转换时序 第二种转换模式的时序如图4 7 所示，该模式通过r c 信号来控制转换及输出数据 的读出过程。在这种模式中，启动转换和读均用c s 信号，c s 、r c 为低电平时，启 动a d 转换；一c s 低电平、尺否高电平时读出数据，r 一c 信号的下降沿必须比西脉冲 ( 脉冲宽度至少4 0 n s ) 至少提前1 0 n s 送到模数转换器的输入引脚v i n ，一旦这两个负脉冲到 来，并延迟t 3 后进入转换期间，b u s y 信号将变为低电平直到转换完成。 r c c s m o d e d a t a b u s t 1 2 t 一一h _ t 1 2t 1 2 一p t 1 2 、j 7 ? 汀 一t l 一 一i r 一， ，t 3 o 1 iu， 入 h h 卜t 6 、i 、l ， a c q u i r e 米 c o m v e r t 术a c q u i r e ：d a t a h i - z j v a l l d t 1 4 斗4 1 一- 一t 9p 图4 7 用c s 信号控制转换和读操作的时序 具体选用哪种模式，取决于系统中哪种模式比较容易控制，如果将一c s