劉 偉 ，張存善

（1.中國(guó)人民解放軍93756部隊(duì) 天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300130）

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，由于生產(chǎn)中的各種參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程具有重要的意義，因此對(duì)各種測(cè)試數(shù)據(jù)精度要求較高。而對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器，比如壓阻式、應(yīng)變橋式、熱電偶、熱電阻、電容式以及壓電式傳感器，輸出的一般是毫伏級(jí)的微弱模擬信號(hào)，溫度特性差，而且在傳輸過(guò)程中信噪比明顯降低[1]。因此需要設(shè)計(jì)高精度穩(wěn)定性強(qiáng)的信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。然而采用以往的積分型和逐次比較型A/D實(shí)現(xiàn)高精度信號(hào)采集的難度較大且成本很高。近年來(lái)興起的Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)卻能以較低的成本獲取極高的分辨率。AD7705便是一款比較典型的高性能16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換芯片。

本設(shè)計(jì)采用AD7705為A/D轉(zhuǎn)換器，配合8位高性能PIC單片機(jī)PIC18F458組成高精度信號(hào)采集系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)方面在單片機(jī)與AD7705典型應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，加入了光電隔離、電壓檢測(cè)復(fù)位等電路，使系統(tǒng)采集信號(hào)的精準(zhǔn)度和可靠性都有了很大的提高，軟件設(shè)計(jì)方面給出了關(guān)鍵部分的程序清單。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某智能儀表中，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的表現(xiàn)良好。

1 關(guān)鍵器件選型

1.1 AD7705概述

AD7705芯片是帶有自校正功能的Σ-Δ16位A/D轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。它包括由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-Δ調(diào)制器以及可編程數(shù)字濾波器等，能直接將傳感器的不同擺幅范圍內(nèi)的信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓附近再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。此外它還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、校準(zhǔn)、低功耗及優(yōu)良的抗噪聲性能，因此非常適用于儀表測(cè)量和工業(yè)控制等領(lǐng)域[2]。

圖1 AD7705功能框圖Fig.1 Functional block diagram of AD7705

1.2 PIC18F458的特點(diǎn)

作為中高端的8位PIC系列單片機(jī)，PIC18F458是高性能的RISC CPU。具有高達(dá)2 MB的程序存儲(chǔ)器；4 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；高達(dá)10 MIPS的執(zhí)行速度；DC～40 MHz時(shí)鐘輸入；4～10 MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入；16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道；帶優(yōu)先級(jí)的中斷；8×8單周期硬件乘法器。

該款單片機(jī)不僅集成了強(qiáng)大的外圍功能模塊 （增強(qiáng)型捕捉輸入功能、脈寬調(diào)制（PWM）輸出部件、I2C和SPI接口以及可尋址的通用同步/異步接收發(fā)送器（USART）串行通信接口），而且因其特殊的單片機(jī)特性（自振式看門狗、可編程代碼保護(hù)功能、休眠省電方式等）及先進(jìn)的flash技術(shù)（低功耗、高增強(qiáng)型flash技術(shù)，全靜態(tài)設(shè)計(jì)，2.0～5.5 V寬范圍的工作電壓，工業(yè)級(jí)和擴(kuò)展級(jí)溫度范圍），可以適用各種工業(yè)控制場(chǎng)合[3]。

本系統(tǒng)使用PIC18F458作為主控制芯片，選取此芯片與AD7705配合組建信號(hào)采樣系統(tǒng)，不僅是因?yàn)镻IC18F458自身配備的主同步串行端口MSSP具有SPI工作方式，而且更重要的是該單片機(jī)的高性能能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行更加有效的處理，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于采集氧電勢(shì)和溫度的模擬信號(hào)，二者分別是氧傳感器和K型熱電偶的輸出信號(hào)。其中氧電勢(shì)信號(hào)的輸出范圍是0～1.25 V，溫度信號(hào)的輸出范圍是 0～50 mV，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of signal collecting system

2.1.1 AD7705及前端采集電路

圖3 AD7705及前端采集電路Fig.3 Circuit of AD7705 and front-end acquisition

圖3為AD7705的外圍電路及系統(tǒng)的前端采集電路。氧電勢(shì)和溫度信號(hào)首先要進(jìn)入濾波電路去除干擾雜波然后進(jìn)行精密放大，這里采用低功耗雙運(yùn)算放大器MCP602和反饋電阻組成放大電路，MCP602具有偏置電流低、運(yùn)行速度快、開環(huán)增益高以及滿幅輸出等特點(diǎn)，而且其很寬的帶寬非常適用于A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)放大器[4]。由于提供給AD7705的基準(zhǔn)電壓是2.5 V，調(diào)節(jié)反饋電阻使氧電勢(shì)和溫度放大后的信號(hào)V_01和V_02都在0～2.5 V之間。

基準(zhǔn)電壓在AD7705的外圍電路中最為重要，它直接影響數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度，這里采用的是高精度2.5 V參考電壓源MCP1525，它采用先進(jìn)的 CMOS電路設(shè)計(jì)和 EPROM存儲(chǔ)方式，在時(shí)間和溫度穩(wěn)定性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且在工業(yè)級(jí)溫度范圍－40～+85°C范圍內(nèi)可正常工作，為系統(tǒng)信號(hào)采集的精準(zhǔn)度提供有力保障。

值得注意的是在設(shè)計(jì)AD7705印刷板電路時(shí)必須講究布線技巧，布線的好壞直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，甚至?xí)鹦酒ぷ魇С?。?jīng)驗(yàn)表明，AD7705應(yīng)該布設(shè)在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和集中的區(qū)域，數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)盡可能在底面分開布線，模擬接地與數(shù)字接地應(yīng)只在一個(gè)點(diǎn)連接在一起，所有電源都要加電容去耦電路，電容器盡可能靠近芯片的電源輸入端。

2.1.2 光電隔離電路

為了提高通訊接口在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾能力，采用光電隔離器件是一種簡(jiǎn)單而有效的方法，這里采用的是高速光耦6N136，如圖4所示，它能夠在對(duì)通訊接口進(jìn)行光電隔離的同時(shí)不會(huì)影響通訊速率，可以使系統(tǒng)在不降低采集效率的情況下提高可靠性[5]。由于光耦兩側(cè)的電源和地是要完全分開的，因此設(shè)計(jì)了兩路電源，使6N136能達(dá)到最佳隔離效果。在設(shè)計(jì)印刷板電路時(shí)要特別注意6N136底下不能走數(shù)據(jù)線，這樣會(huì)引入干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集跳動(dòng)。

圖4 光電隔離電路Fig.4 Photoelectric isolation circuit

2.1.3 單片機(jī)復(fù)位電路

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路在強(qiáng)干擾情況下會(huì)使單片機(jī)復(fù)位引腳電壓意外跌落，造成單片機(jī)工作不正常。為了解決這一問(wèn)題，這里采用電壓檢測(cè)復(fù)位芯片HT7044，它能夠檢測(cè)4.5 V的固定電壓并具有穩(wěn)壓功能，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的要求[6]，如圖5所示。

圖5 單片機(jī)復(fù)位電路Fig.5 Microcontroller reset circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)

AD7705內(nèi)部只有一套模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通道1和通道2的選擇通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)行切換，實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)不同通道采取不同的增益，動(dòng)態(tài)地對(duì)AD7705進(jìn)行增益、通道設(shè)置，很靈活方便地達(dá)到這一目的。使用AD7705之前，首先要對(duì)所有寄存器進(jìn)行設(shè)置，才能保證器件正常工作。在實(shí)際使用中，首先選擇模擬輸入模式（單極性還是雙極性）、是否需要緩沖、時(shí)鐘分頻和輸出更新速率；根據(jù)外部輸入信號(hào)的幅度來(lái)決定設(shè)置器件的增益值。

該系統(tǒng)中的AD7705在應(yīng)用中選擇輸入通道單極性、初始增益等于1、數(shù)據(jù)更新速率為500 Hz。AD7705的讀寫操作嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行，圖6和圖7給出了AD7705的讀和寫時(shí)序圖。根據(jù)實(shí)際確定所有參數(shù)以后，對(duì)AD7705芯片進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置方法比較獨(dú)特，在設(shè)置參數(shù)之前，首先對(duì)通信寄存器進(jìn)行一次寫操作，來(lái)決定下一個(gè)是什么樣的寄存器和什么樣的操作內(nèi)容，再進(jìn)行下一步的參數(shù)寫入，圖8給出了AD7705初始化及讀取數(shù)據(jù)流程圖，讀者可參考下面的AD7705初始化程序。

圖6 AD7705讀時(shí)序圖Fig.6 Diagram of read cycle timing

圖7 AD7705寫時(shí)序圖Fig.7 Diagram of write cycle timing

圖8 AD7705初始化及讀取數(shù)據(jù)流程圖Fig.8 Flow chart of AD7705 initialization and reading data

START_ad7705（）

void START_ad7705（）

{

uchar i;

AdDin=1;AdClk=1;

for（i=0;i＜40;i++） {AdClk=0;AdClk=1;}/* 防止接口迷失，通信寄存器返回到等待寫狀態(tài)*/

WBYTE_ad7705 （0x21）; /* 寫 CH1 clock register*/

WBYTE_ad7705 （0x07）; /*2.4576 MHz 時(shí) 鐘 ，500Hz 數(shù)據(jù)更新速率*/

WBYTE_ad7705（0x11）; /* 寫 CH1 setup register*/

WBYTE_ad7705（0x44）; /* 單極性，無(wú)緩沖，自校準(zhǔn)模式，增益為1*/

Delay_1ms（50）; /* 延時(shí) */

}

void WBYTE_ad7705（uchar bytew）

{

uchar i;

AdClk=1;AdDin=1; /*開始 */

for（i=0;i＜8;i++）

{

AdClk=0;

if（bytew&0x80）AdDin=1; /*輸入數(shù)據(jù)位 */

else AdDin=0;

AdClk=1;

bytew=bytew＜＜1;

}

AdDin=1;AdClk=1; /*結(jié)束 */

}

初始化以后，單片機(jī)就可以從模數(shù)轉(zhuǎn)換器中讀數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)之前必須確定數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)，DRDY引腳處于低電平時(shí)表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以讀取數(shù)據(jù)。為了便于讀者理解，給出讀數(shù)據(jù)寄存器的函數(shù)原代碼如下：

uint RWORD_ad7705（uchar channel）

{

uchar i;uint AD16bit=0;

if（0==channel） WBYTE_ad7705（0x38）；/* 選擇通道 */

if（1==channel） WBYTE_ad7705（0x39）；

while（1==AdReady）;/*等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 */

AdClk=1;AdDin=1;

for（i=0;i＜16;i++）

{

AD16bit=AD16bit＜＜1;

AdClk=0;

if（1==AdDout） AD16bit++;/* 讀取數(shù)據(jù)位 */

AdClk=1;

}

AdDin=1;AdClk=1;

return AD16bit; /*返回讀數(shù)*/

}

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效率和高精度的信號(hào)采集，具備很強(qiáng)的抗干擾能力。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于某智能儀表，使智能儀表在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)精度得到提高的同時(shí)控制精度也相應(yīng)得到提高，并且儀表運(yùn)行的可靠性和安全性得以增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了一定的應(yīng)用價(jià)值，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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