盧秀和， 陳 楠， 王艷雙

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

A／D轉(zhuǎn)換是PIC18F4520單片機一個主要的組成模塊，由于單片機只能對數(shù)字量進(jìn)行識別，這時就需要設(shè)置一種模擬接口，用于把連續(xù)不斷的模擬量轉(zhuǎn)換成一系列不連續(xù)的、離散的數(shù)字信號，以方便對所需監(jiān)控的狀態(tài)進(jìn)行讀?。?］。

PIC18F4520單片機的A／D模塊為10位A／D，占用兩個數(shù)據(jù)存儲器，即低地址的8位和高地址的低2位［2］。

這樣看來，如果所采集的信號為直流信號時，就會轉(zhuǎn)換出相同的數(shù)字量，反之，當(dāng)采集的信號為非直流信號時，就會轉(zhuǎn)換出不同的數(shù)字量。由于一些系統(tǒng)需要對一些非直流信號進(jìn)行實時的監(jiān)控，這樣就無形中加大了對單片機的工作約束。文中提出一種相對于傳統(tǒng)對順序多路非直流信號采集時的方法——循環(huán)中斷式采集。這種方法相對于傳統(tǒng)的方法，降低了單片機對執(zhí)行程序時間的要求，同時提高了采集精度。

A／D采集運用到剩余電流探測器（電器火災(zāi)監(jiān)控探測器的一種，通常含有四路A／D采集信號）中，如果采用常規(guī)順序A／D采集方法，不僅加大了PIC18F4520單片機對程序執(zhí)行時間的要求，同時還降低了系統(tǒng)的精度。采用循環(huán)中斷式采集方法時，相對于常規(guī)方法來說，不僅降低了程序執(zhí)行的時間，同時加大了系統(tǒng)的精度。

1 逆變系統(tǒng)多路非直流采集信號

1.1 系統(tǒng)簡介

通過分立式剩余電流探頭分別檢測出四路剩余電流，接入機器的四路輸入，然后對每路電流進(jìn)行整流，運用單項橋式整流電路，去掉四路信號中小于0的波形，然后送入運算放大器中進(jìn)行放大，同時完成了把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進(jìn)行采集，將輸出的電壓信號傳入PIC18F4520單片機中進(jìn)行采集。放大電路如圖1所示［3－4］。

圖1 模擬輸入信號處理電路

由于PIC18F4520單片機內(nèi)部的A／D模塊供電電壓為5V，因此，在設(shè)計此電路時必須保證運算放大器輸出到A／D接口的波形最大值不得超于5V，否則導(dǎo)致單片機燒毀。

1.2 搭建硬件電路的系統(tǒng)

搭建硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

1.3 四路A／D采集波形

通過示波器測量，四路波形如圖3和圖4所示。

圖3 第一路A／D波形

圖4 后三路A／D波形

從圖中可以看出，所采集的波形周期為20ms，四路 A／D 的平均值分別為230，73，73，73mV。為了提高精度，設(shè)置一周期采集的點數(shù)為64點，這樣要求系統(tǒng)在完成一次完整的循環(huán)時間（包括四路A／D數(shù)據(jù)處理時間與系統(tǒng)其它程序執(zhí)行時間）為20ms／64＝312μs，系統(tǒng)要求對四路模擬量進(jìn)行采集，而且要求必須是實時監(jiān)控。

PIC18F4520采用的A／D電壓為內(nèi)部電壓，即5V，為10位 A／D，A／D數(shù)據(jù)換算公式［5］:

分別把230mV，73mV代入式（1），得到四路 A／D采集數(shù)據(jù)為:47，14，14，14，轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制數(shù)為0x002F，0x000E，0x000E，0x000E。

2 編程思路

主要介紹用到的兩種濾波程序。為了進(jìn)一步提高A／D采集精度，運用了3點去壞值和滑動平均值濾波兩種濾波程序［6］。

3點去壞值:在定時器定時312μs的時間內(nèi)，對所采集的模擬信號連續(xù)采集3個數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行3個數(shù)據(jù)的比較，去掉最大值與最小值，留下中間值作為本次采集所得值，然后將此數(shù)據(jù)送入滑動平均值濾波區(qū)，進(jìn)行滑動平均值濾波［7］。

滑動平均值濾波:對四路A／D分別在數(shù)據(jù)存儲器中開啟占有64個12位的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，把經(jīng)過3點去壞值的數(shù)據(jù)放入此存儲區(qū)內(nèi)，當(dāng)放滿64個數(shù)據(jù)后，算出此時的平均值，作為模擬輸入量的平均值，然后當(dāng)下一個經(jīng)過3點去壞值的數(shù)據(jù)來之前，對濾波存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)左移，即把第1個數(shù)據(jù)去除，第2個數(shù)據(jù)賦值給第1個，以此類推，最終把第64個數(shù)據(jù)賦值給63，然后把此時經(jīng)過3點去壞值的數(shù)據(jù)賦值給第64位，以后當(dāng)每次采集得到數(shù)據(jù)時，都經(jīng)過此方法進(jìn)行循環(huán)左移。算出每次濾波區(qū)的平均值即可［8］。

為了更加準(zhǔn)確地證明相對于常規(guī)順序采集方法，文中提出的循環(huán)中斷式采集方法能夠更加準(zhǔn)確地采集模擬信號，對兩種方法都進(jìn)行了編寫相應(yīng)的實驗程序。

3 常規(guī)順序A／D采集方法

簡單的理解方法就是，當(dāng)采集完第一路A／D模擬量時，馬上開始對第二路A／D數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，依次類推第三路與第四路。系統(tǒng)采集流程圖如圖5所示。

圖5 常規(guī)順序A／D采集方法流程圖

從圖中可以看出，此方法要求四路A／D的采集時間與數(shù)據(jù)處理時間要求在一次定時器定時之內(nèi)完成，這樣就可能出現(xiàn)程序執(zhí)行過程時間過長，大于定時器定時時間，導(dǎo)致不能正確采集四路模擬量，從而不能得到正確的數(shù)字量。

經(jīng)過編寫相應(yīng)的實驗程序發(fā)現(xiàn)，如果采集點數(shù)為64點系統(tǒng)無法得到正確的平均值，為了能得到正確的平均值，只好減少點數(shù)，這樣才能在規(guī)定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)程序，直到減少到16點后，才得以成功，這樣就要求定時器定時為20ms／16＝1.25ms。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)見表1。

從數(shù)據(jù)的變化可以看出，完全符合波形變化。但是此種方法由于采樣點數(shù)的減少，從而加大了誤差，而且對時間的要求非常嚴(yán)格。

通過采集的數(shù)據(jù)可以得到平均值為0x002A，0x000B，0x000B，0x000A，對應(yīng)的十進(jìn)制為42，11，11，10，相對于測得的數(shù)據(jù)47，14，14，14，可以算出誤差比例為10%，21%，21%，38%。

表1 常規(guī)順序A／D采集所得數(shù)據(jù)

4 循環(huán)中斷式采集方法

本方法是在系統(tǒng)采集完一路A／D模擬量之后，進(jìn)行A／D數(shù)據(jù)處理程序與系統(tǒng)其它程序的執(zhí)行，在第二次進(jìn)入定時器中斷后，開始對第二路A／D模擬量的采集，以此類推第三路與第四路。系統(tǒng)采集流程如圖6所示。

圖6 循環(huán)中斷式采集流程圖

從圖中可以看出，此方法只需要求對一路A／D采集時間與數(shù)據(jù)處理時間在一次定時器定時之內(nèi)完成，不管采集的模擬量為四路或者更多，都不會影響系統(tǒng)對時間的嚴(yán)格要求。

經(jīng)過編寫相應(yīng)的實驗程序，可以得到正確的平均值，由于采集點數(shù)為64點，從而加大了精確度。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)見表2。

表2 循環(huán)中斷采集所得數(shù)據(jù)

通過采集的數(shù)據(jù)可以得到平均值為0x002E，0x000E，0x000E，0x000D，對應(yīng)的十進(jìn)制為46，14，14，13，相對于測得的數(shù)據(jù)47，14，14，14，可以算出誤差比例為2%，0，0，7%。

5 兩種方法的快速性比較

通過兩種實驗對比，可以得到一些性能指標(biāo)參數(shù)的對比數(shù)據(jù)，見表3［8］。

表3 兩種方法參數(shù)對比

6 結(jié) 語

經(jīng)過實驗驗證，相比于傳統(tǒng)的實驗方法，文中提出的循環(huán)中斷式采集方法在占機時間上為常規(guī)方法的1／4，為系統(tǒng)執(zhí)行其它程序釋放了相當(dāng)大的時間，在使用PIC18F4520單片的程序存儲器少于常規(guī)方法，同時提高了系統(tǒng)的采集精度［9］。運用到剩余電流檢測器中，保證了機器本身更加準(zhǔn)確的運行、及時的報警以及相應(yīng)的處理工作。

［1］ 宋大維，崔友，孫鵬遠(yuǎn)，等.基于 RS-485總線的高壓設(shè)備智能試驗臺［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，24（4）:56-58.

［2］ 劉啟中，李榮正，王力生，等.PIC單片機原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］ 勒孝峰.模擬電子技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］ 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］ W·H·高斯曼.數(shù)字電子學(xué)［M］.李昔.譯.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［6］ 劉和平.PIC18Fxxx單片機程序設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［7］ 明日科技，王娣，安劍，等.C語言程序開發(fā)范例寶典［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［8］ 龍宏波，葉曉慧，譚思煒.歸一化加權(quán)平均值算法在測量中的應(yīng)用［J］.電光與控制，2010，17（12）:2-3.

［9］ 李頡，呂強中.PIC單片機A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲及串口效率［J］.機械工程與自動化，2006（3）:5-6.