【導讀】集與控制系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)電路、微機模式發(fā)展成為嵌入式系統(tǒng)模式，本論文設計的具有數(shù)據(jù)采集與控制等多種功能的測控平臺。異步串行口設計的RS-232串口通訊硬件電路。以此平臺為基礎，初。導程序，成功啟動硬件系統(tǒng)和下載內(nèi)核與文件系統(tǒng)。本論文最終能夠?qū)崿F(xiàn)下面幾個功能:8路模擬量的采。機板卡上的數(shù)據(jù)傳輸。性，應用前景十分廣闊。

　　

【正文】 傳感器的輸出在額定范圍內(nèi)為 0～5V，但電路中的電壓、電流是一個很不穩(wěn)定的數(shù)，如電壓輸入基本上都大于 100VAC（實際電壓大于 6000V），所以電壓傳感器 輸出肯定大于 5V。因此為保護 TLC2543 芯片，設計中在傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器之間加入了調(diào)整電路。調(diào)整 電路由可調(diào)電阻、電壓跟隨器組成。電壓傳感器、電流傳感器的輸出電壓經(jīng)可調(diào)電阻進行嚴格的比例分壓調(diào)整，即統(tǒng)一調(diào)整傳感器輸出的 2/3，同時在購買傳感器時，已要求廠家進行了輸出飽和值的限壓調(diào)整，即要求各傳感器最大飽和輸出電壓為 。經(jīng) 2/3 分壓后，保證最大輸出（ A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入）為 5V，從而保證了智能采集器在任何狀態(tài)下都能正常工作。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，山東科技大學學位學士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準備 29 而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要 達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及 隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖，起到承上啟下的作用。 本設計中，電壓跟隨器電路利用 LM324 構(gòu)成 [4142]LM324 內(nèi)部有 4 個獨立的運算放大器，工作時可單電源供電，如圖 所示。圖中 1 腳、2 腳相連即構(gòu)成一路電壓跟隨器電路。 LM324 的同相端 3 腳外接由可調(diào)電阻出來的分壓信號。 模擬量（電壓、電流）輸入電路原理圖如圖 所示： 圖 電壓、電流模擬量輸入電路 前端調(diào)理電路 由于輸入的模擬信號變化范圍較大，通常不是 AD 芯片所要求的范圍，在高精度、山東科技大學學位學士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準備 30 高要求的 AD 采樣電路中，為使輸入的模擬信號與 AD 采樣所需求的信號相匹配，通常在 AD 采樣電路前加入前端調(diào)理電路，以縮放和平移要采樣的信號，從而使調(diào)理后的信號適合 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求。調(diào)理電路電路圖見圖 。 ++A G N DR 34 KI NR 42 0 K56U 1 0 8 BL M 3 5 8R 21 0 KC 10 . 1 μ F 5 V+ 5 VC 20 . 1 μ F48L M 3 5 8U 1 0 8 AR E F O U T7R 51 KR 61 KC H 1 +C H 1 23R 12 K 圖 信號調(diào)理電路山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 31 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 本論文的 ARM 板卡采用的是模塊式結(jié)構(gòu)，具有通用性強， 系統(tǒng)組態(tài)靈活等特點，因而具有廣泛的適用性。但是作為一個工業(yè)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，除了主 CUP 及部分接口外，還應有大量用途各異的 1/0 接口模塊，如 A/D和 D/A、開關量輸入 /輸出模塊等。本章主要介紹各個模塊的設計。 在工業(yè)控制中往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)，同時，還需要對某一個檢測電路的任一參數(shù)能夠進行隨機查詢，將其在某一時間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并且輸入到 CPU是一個工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。 接口總線的選 擇 總線是信息傳輸?shù)耐ǖ?，計算機系統(tǒng)常用的接口總線有并行總線和串行總線兩種。所謂并行總線就是 N 位一次傳送的總線，因此傳送速度快。但它需要 N 條傳輸線，所以線路復雜，占用 I/O 資源多。而串行總線只需要一條傳輸線，所以線路簡單，但是相對傳送速度比較慢。較少的線意味著所需要的控制器引腳較少，使用串行總線可以將同樣的芯片集成在一個較小的封裝中。常用的串行接口總線有 SPI、 I2 C 等。 SPI 總線是 Motorola公司提出的一種新型同步串行通信總線，較 I2 C 同步串行總線而言， SPI接口采用三線制，因此 SPI 對于提高通信速度是很有利的。目前眾多生產(chǎn)山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 32 混合信號器件的半導體廠商紛紛推出了帶有 SPI 接口的器件，包括串行 A/D和串行 D/A 等等，此類器件用串行接口總線代替以往的并行接口總線，大大簡化了系統(tǒng)的硬件設計，節(jié)省了系統(tǒng)的 I/0。將 SPI 總線應用到非高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集部分代碼將大大縮短?；谏鲜?SPI 串行通信所具備的優(yōu)點，本系統(tǒng)選用的是 SPI 串行接口總線 1101 一 1111。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 根據(jù)實際需要本系統(tǒng)采用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片是 MAX1241。 MAX1241 是低功耗， 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有 8 個管腳 (如表 )，工作電壓為 +~5V，連續(xù) A/D 轉(zhuǎn)換時間為 ? s，跟蹤時間為 ? s，片上自備時鐘及采樣保持電路。在芯片以 73ksps 最大采樣速率工作時，消耗功率僅為37mW(VDD=3V)。關閉模式也可以降低功耗，但這時傳輸速率也會降低。MAX1241 需要一個外部參考電壓，參考電壓輸入范圍一般為 0~2. 5V， MX1241能接收的電壓范圍為 O~2. 5V，輸入電壓過大會燒掉芯片，一般不應超過3V 管腳 名稱 功能 1 V DD 正鄉(xiāng)電壓 :~ 2 AIN 模擬輸入量 ,0V~V ref 3 SHDN 三級關斷輸入 .無論 SHDF 為高電平或者懸空 ,MAX1241都可以正常工作 ,當他低電平時 ,芯片處于休眠模式 ,此時的工作電流低于 15? A. 4 REF 模擬轉(zhuǎn)換的外部參考電壓 . 山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 33 5 GND 模擬和數(shù)字地 . 6 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出 ,在 SLCK 的下降沿進行數(shù)據(jù)交換 ,當 CS 高電平時 ,DOUT 高電阻 7 CS 低電平時 ,轉(zhuǎn)換開始 ,采樣保持電路進入保持狀態(tài) ,高電平時 ,DOUT 高阻狀態(tài) . 8 SLCK 串行時鐘輸入 ,SLCK 時鐘輸出范圍可高達 表 管腳描述 MAX1241 具有一個 3 線連續(xù)接口，直接與微控制器的 I/0 相連，并與SPI 接口兼容。這 3 線分別是片選線 CS，數(shù)據(jù)線 DOUT，時鐘信號線 SCKL。SCKL 的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位為先高后低依次出現(xiàn)。當把 MAX1241 的模式控制端 SHDN 置低時，芯片處于關閉模式或稱休眠模式，此時工作電流低于 15? A，置高后，它能在 4? s 內(nèi)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)。如不使用，可以接高電平或懸空。 下面簡單介紹一下 MAX1241 的轉(zhuǎn)換過程，在開始加電 20ms 內(nèi)不要有任何轉(zhuǎn)換工作。將 CS 瓦置低電平后，開始轉(zhuǎn)化。在 CS 的下降沿，采樣保持電路進入保持狀態(tài)，而且轉(zhuǎn)化正式開始，經(jīng)過一段內(nèi)部轉(zhuǎn)化時間后，轉(zhuǎn)化結(jié)束的標志是 DOUT 信號置高。然后數(shù)據(jù)能在外部時鐘的作用下 依次送出 可編程放大器的選擇 管腳 名稱 功能 1 +INPUT 輸入信號正端 2 +GIAN SENSE 正增益檢測端 山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 34 3 RTI NULL 輸入電壓失調(diào)調(diào)零端 4 RTI NULL 輸入電壓失調(diào)調(diào)零端 5 +GIAN SENSE 正增益驅(qū)動端 6 NC 空腳 7 REFERENCE 輸出基準斷 ,為輸出電壓提供基準 偏置電壓 8 Vs 負電源端 9 +Vs 正電源端 10 VOUT 輸 出端 11 SENCE 輸出檢測端 12 GIAN SENSE 負增益驅(qū)動端 13 RTO NULL 輸出失調(diào)調(diào)零端 14 RTO NULL 輸出失調(diào)調(diào)零端 15 GIAN SENSE 負增益監(jiān)測器 16 INPUT 輸入信號負端 表 管腳描述 本系統(tǒng)為了能夠普遍適用于不同場合的數(shù)據(jù)采集，要求運算放大器是可編程的。因為本系統(tǒng)所要采集的模擬信號從 lmV 不等，而模山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 35 數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX1241 的輸入要求在 0~，所以要求運算放大器增益的范圍從 1 到 1000，為了滿足這個要求，本系統(tǒng)選用了 AD625JN 可編程放大器。對于低噪聲、高共模抑制比和低漂移來說， AD625JN 是最廉價有效的儀器放大器可選方案。外加的三只電阻允許用戶設置從 1~10000 的任何增益。 AD625JN所產(chǎn)生的增益誤差小于 %，增益溫度系數(shù)低于 5ppm/℃。AD625JN 一共有 16 個引腳，其引腳描述如表 所示。 圖 軟件編程模式原理圖 如圖 ，利用 AD75OZ 可實現(xiàn) AD625 的可編程增益放大。 AD7502是一只四路 CMOS 模擬開關，通過信號 AO、 A1 和 NRB4QE 選擇同步切換模擬開關，如表 可看出根據(jù) AO、 A1 的變化 Rf 和 R。的值將改變。 山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 36 EN A0 A1 Rf Rg 1 0 0 R1 2? (R1+R2+R3+R4)+R5 1 0 1 R2 2? (R3+R4)+R5 1 1 0 R2+R3 2? R4+R5 1 1 1 R2+R3+R4 R5 表 編碼信號選擇電阻表 根據(jù)公式 G=1+ZRf/Rg 可計算出滿足 G 為 1， 10， 100， 1000 時所需要的各個電阻值。本系統(tǒng)中取 Rl=10K9， RZ=43K9， R3=， R4=4309，RS=100。 如圖 (一 )，一共有八路模擬量輸入，每一路包括熱電偶、熱電阻、電流 /電壓信號，通過跳線選擇其中的一種進行輸入，這八路模擬信號送到多路開關 4051 上。本系統(tǒng)實際工程中，熱電阻的輸入信號是 100~200mV，電流的輸 入信號是 4~20mA，電壓的輸入信號是 V5，熱電偶的輸入信號是10~20mV，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的最大輸入信號是 ，所以可以得知要求增益可編程放大器的放大倍數(shù)必須從 l~100 可調(diào)。如圖 (二 )從 0~7 八路中 選通一路送到增益可編程儀用放大器 AD625，一共有四種可變增益，根據(jù)需要通過 I/O 口控制所選擇的增益大小。通過增益可編程放大器，這三種信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的 0~ 信號，經(jīng)過放大的信號送入第二個 4051的第 0 路，它的第 1 路有一個 +V5 經(jīng)電阻分壓后得到的標準信號，送來用山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 37 于自診斷 A/D 模塊有無故障。 此后出來的模擬量，經(jīng)過串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1241,轉(zhuǎn)換為 0~4095 數(shù)字量 山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 38 圖 .42A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 山東科技大學學位學士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設計 39 4. 2 D/A 通道模塊的硬件設計 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，被測參數(shù)經(jīng)采樣處理之后，還需要計算并輸出控制，達到自動控制的目的。例如在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為使溫度能穩(wěn)定在給定值上，往往需要控制加熱爐的閥門，調(diào)節(jié)進入爐中的煤氣量，對于電爐來講，則需要控制通、斷電的時間。在上述例子中控制閥一般需要電動執(zhí)行機構(gòu)，通常由 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出來控制。前面已經(jīng)介紹了總線的知識，因為本系統(tǒng)提供了豐富的擴展 I/0 口根據(jù) 工程的實際需要，數(shù)模轉(zhuǎn)換通過 EBI 實現(xiàn)。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇 基于性價比以及工程要求的考慮，本系統(tǒng)采用 DAC0832 普通型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 DAC0832 是美國數(shù)據(jù)公司的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容 I。1。器件采用先進的 CMOS 工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小，而其間的特殊的電路結(jié)構(gòu)可與 TTL 邏輯輸入電平完全兼容。 DAC0832 一共20 個管腳，各管腳描述如表 所示。 欲將數(shù)字量 DIODI7 轉(zhuǎn)換為模擬量，只要使滅面 =0, XFER =0, DAC為不鎖存狀態(tài)，即 ILE=1,硯 和麗雨端接負脈沖信號即可完成一次轉(zhuǎn)換 。或者可雨 =0,瓦 =0, ILE=輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而麗反乏和萬麗端接負脈沖信號，可達同樣的目的。 1