单片集成智能仪表中的设计.doc

单片集成智能仪表的设计 杨 皓1 古天祥1 胡学海121电子科技大学自动化工程学院 2成都飞机设计研究所第十三研究室 摘 要： 本文介绍了采用单片ADC812高精度数据采集片上系统芯片设计智能工控仪表的基本原理，并简介了一种智能温控仪的软、硬件设计方案。讨论了关键技术问题：线性化处理、标度变换、数字滤波、PID控制的实现方法。对于单片集成智能工控仪表的设计具有一定的参考价值。关键词： 智能工控仪表、线性化处理、标度变换、数字滤波、PID控制的实现方法Abstract： This thesis introduced the principle about the design of intelligent industrial controlling instrument by using single ADC812 high accuracy data collection on slice system. At the same time，it also introduced briefly a kind of Soft, hardware design project of temperature controlling instrument. Discussed the key technique problem: the realize method of the Linearization Dispose、Mark Degree Transformation、Digital Filter、PID Control Arithmetic. It have some referenced value to designing of intelligent industrial controlling instrument.Keywords: Intelligent Industrial Controlling Instrument、Linearization Dispose、Mark Degree Transformation、Digital Filter、PID Controlling Arithmetic1 引言随着工业自动化程度的不断提高，对工业仪表的要求也不断提高。多功能、小型化、智能化的智能工控仪表成为了工控仪表发展的主流。智能工控仪表一般采用微处理器为核心，配以多路A/D、D/A、RAM、ROM等外围器件构成。现场的模拟信号通过A/D转换成单片机能处理的数字信号，再经过单片机数字处理后转换成模拟信号输出。这种常规设计具有电路复杂、调试困难、成本高、抗干扰能力差、体积大，难以小型化等困难。选用ADI公司的ADC812高精度数据采集片上系统芯片设计智能工控仪表，可以用一片芯片实现A/D、D/A、单片机系统的全部功能，具有可靠性高、综合成本低、精度高、调试方便、抗干扰能力强、系统结构简单等特点，能很好的解决以上问题。2 基本原理ADI公司的高精度，全集成片上采集系统ADC812包含8通道12-bit SAR A/D，无噪声14位，速度220KHz；2通道12位D/A，速度15S；8K E2PROM程序存储器；640字节Flash RAM 数据存储器；工业标准8052核；440ppm/ 精密基准电压源；ADC DMA控制器；看门狗电路；电源监视器；32条I/O线；I2C兼容的SPI串行口；UART串行口；时钟频率最高16MHz，其功能结构框图如图1所示：图1 ADC812的功能结构框图ADC812有正常、空闲、掉电三种工作模式，3V、5V两种电源规格，其外部引脚定义如图2所示：图2 ADC812的外部引脚定义图ADC812集成度高，单片即可实现一个完整的嵌入式片上采集、控制系统的全部功能，且内带看门狗电路、电源监视器，提高了可靠性、减低了综合成本、同时由于系统结构简单，使得系统调试方便、抗干扰能力强，ADC812设计智能工控仪表的系统结构如图3所示。图3 基于ADC812的智能温控仪表的硬件结构图 3 应用实例下面介绍一种采用该方案设计的多路智能温控仪表。该温控仪表具有测温、设置目标温度、输出控制电压、键盘输入、显示、系统监控等功能。系统设计如下: 3.1 智能温控仪硬件设计系统的硬件结构设计如图3, 主系统采用ADC812, 单片实现A/D、D/A、单片机系统的全部功能。信号调理电路采用AD公司仪表放大器AD625，带宽400KHz，10KHz时失调误差仅7mV，增益范围11000，可编程。放大增益F可由下式求得：F = 0.9 Umax / umax (1)式中： Umax ：满幅度输出，V umax ：取样电压，V 数据传送选用485串行总线标准。该总线标准具有高速、高可靠性、远距离等特点，最高传送速率10Mbit/s，最大距离1200m，信息接口选用RS485标准接口电路ADM483E，它有15KV抗雷击保护电路，非常适合工业场合。3.2 测温程序设计 智能温控仪表的测温程序应具有A/D采样、数字滤波、线性化处理、标度变换等功能。3.2.1 线性化处理及标度变换的实现由于传感器输出非线性的特性曲线，为减小测量误差，必须进行线性化处理及标度变换。具体方法是：首先对特性曲线离散化，离散化可按以下公式进行：Xj = Umax j / 2048 (j=1,2 2048) (2)Yj = a0 a1 Xj a2 Xj2 a3 Xj3 (j=1,22048) (3)式中： Xj ：j对应的电压值，V Yj ：j对应的流量值，kg/h将Yj 二进制变换取12位整数，4位小数共16位，制成表，放入ADC812的EEPROM中，占4K空间。工作时，将测量值左移1位作为地址，依靠查表的方法就可以实现线性化处理及标度变换。负电压直接取零。这种方法实现线性化处理及标度变换速度快、精度高。使用12位A/D，占用4K空间，误差小于0.5%（含拟合误差）。3.2.2 数字滤波的实现数字滤波采用中值平均滤波，它对于慢速随机干扰、周期性干扰和脉冲干扰效果显著。数字滤波可按公式（12）进行，当N=10时，有较好的效果。X =（ X2 + X3 + + XN-1 ）/（ N 2 ） （4）式中：X1 X2 X3 XN ：N次采样值从大到小排列，VX ：实测值，V3.3 控制程序设计智能温控仪表的控制程序应具有设置目标温度、PID算法、D/A转换、输出控制电压等功能。3.3.1 设置目标温度通过键盘输入目标温度，再将目标温度放入ADC812的Flash ROM 数据存储器，这样即使系统掉电或重新启动，关键参数仍然保留。3.3.2 数字PID算法理论和实践均证明，在连续控制系统中，对象为一阶或二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节，PID控制是一种较好的控制方法。温度控制为一阶带有滞后时间不大的滞后环节的对象，很适合PID控制传递函数为：G0 (s) = K EXP ( - s) / ( 1 s + 1 ) (5)式中：为纯滞后时间可以推出数字PID的增量计算公式为: Uk = Kp ( ek - ek-1 ) + Ki ek + Kd ( ek - ek-1 - ek-2) (6)Uk = Uk + Uk-1 (7)式中：Uk ：K对应的控制增量, V Uk ：K对应的控制量，Vek ：K对应的误差量，Kp ：PID中的P值按以上公式即可编写出PID控制的程序.4 结束语在工业仪表日益向多功能、小型化、智能化发展的今天，使用ADC812高精度数据采集片上系统芯片设计单芯片智能工控仪表，可以简化系统结构和调试过程，降低综合成本，增强抗干扰能力，提高产品性价比。参 考 文 献1.计量测试技术手册编辑委员会. 计量测试技术手册，第6册M.北京：中国计量出版社.1996.10;176177;288294.2. 刘迎春、叶湘滨.现代传感器原理与应用M.长沙：国防科技大学出版社.1998.1；234240.3. 蒋焕文