龔征華，龐明，周冠澤，張巖，王曉初，袁景淇

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基于PIC單片機(jī)的A/D采集模塊實(shí)現(xiàn)

龔征華，龐明，周冠澤，張巖，王曉初，袁景淇

摘 要：針對(duì)噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)A/D采集頻率低的問題，采用PIC單片機(jī)獨(dú)立完成系統(tǒng)采集功能，并利用RS-232串口完成數(shù)據(jù)通信，提高了系統(tǒng)的采集頻率和穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)A/D采集過程中的信號(hào)干擾問題，利用隔離變壓器切斷干擾的傳播途徑，達(dá)到了良好的干擾抑制效果。為進(jìn)一步滿足系統(tǒng)顯示與控制精度，根據(jù)采集信號(hào)的特點(diǎn)，靈活采用了限幅濾波法，同時(shí)進(jìn)一步測(cè)試表明采集系統(tǒng)具有良好的靈敏性。

關(guān)鍵詞：噴水推進(jìn)；A/D采集；干擾分析；限幅濾波

0 引言

噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)需要對(duì)手輪手柄等模擬量信號(hào)進(jìn)行高速、高精度數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集常在控制系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于上位機(jī)需完成繁重的數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和通訊等功能，導(dǎo)致采集頻率較低、采集精度不高，不利于系統(tǒng)控制性能的提高，因此有必要將系統(tǒng)采集功能獨(dú)立出來。A/D采集模塊可采用專用控制芯片完成，這樣不僅可以提高系統(tǒng)采集頻率和精度，也有利于提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

A/D采集常引入信號(hào)干擾，干擾的存在影響了采集信號(hào)的質(zhì)量，降低了系統(tǒng)控制性能，因此需對(duì)干擾信號(hào)加以消除或抑制。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不可避免地存在電氣設(shè)備干擾、電磁場(chǎng)耦合干擾、共模干擾等，很難從源頭上消除，因而常采用切斷干擾傳播途徑的方法對(duì)干擾進(jìn)行抑制[1]。采用隔離變壓器，并利用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)將直流信號(hào)通過變壓器耦合到輸出級(jí)，可有效抑制輸入端共模干擾[2]。為了進(jìn)一步提高采集精度，需對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，濾波的方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行合適選取，以達(dá)到理想效果。

1 A/D采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示：

圖1　A/D采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1給出了噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)A/D采集結(jié)構(gòu)，其中信號(hào)源為控制系統(tǒng)手輪、手柄的輸入電壓信號(hào)，共6路，電壓范圍為0~5V；隔離器是為了抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)干擾，使采集數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠；PIC18F2423為所選A/D采集控制芯片，芯片自帶10路12位高精度A/D，采集頻率最高可達(dá)50K次/秒，采集數(shù)據(jù)通過RS-232串口發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)用于采集命令發(fā)送和采集數(shù)據(jù)接收，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和控制。

2 PIC18F2423工作原理

2.1 芯片簡(jiǎn)介

PIC18F2423是Microchip公司生產(chǎn)的一款8位高性能微控制器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、船舶、航空等領(lǐng)域[3]。PIC18F2423具有16KB Flash程序存儲(chǔ)器、256Byte EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及靈活的振蕩器結(jié)構(gòu)和智能功耗管理模式，并且支持SPI、I2C等同步串行通訊，支持RS-485、RS-232；同時(shí)具有10通道12位精度A/D，采集速度可達(dá)50K次/秒。

2.2 A/D采集功能的實(shí)現(xiàn)

PIC18F2423良好的A/D采集功能可用于控制系統(tǒng)采集實(shí)現(xiàn)，并且采集周期短、精度高，A/D采集模塊示意圖如圖2所示：

圖2　A/D采集原理示意圖

考慮到PIC單片機(jī)定時(shí)不準(zhǔn)確，可由上位機(jī)定時(shí)發(fā)送采集指令，PIC18F2423收到指令后進(jìn)行采集，采集完成后再將數(shù)據(jù)上傳。需要說明的是，PIC單片機(jī)的串口采用的是TTL電平，因此需要使用MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，方可實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)和上位機(jī)通訊。

PIC18F2423使用的是8MHz外部晶振，最高通信波特率可達(dá)57600Bd/s。為滿足高速采集的要求，采用如下串口協(xié)議：波特率57600Bd/s、1開始位、8數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位和1停止位。PIC單片機(jī)的波特率的設(shè)置是通過對(duì)SPBRG寄存器的設(shè)置完成的，當(dāng)BRG/EUSART為8位/異步模式時(shí)，其波特率計(jì)算公式為：

其中Fosc為晶振頻率，SPBRG為相應(yīng)寄存器的值。當(dāng)波特率為57600時(shí)，SPBRG值取整后為8。

3 信號(hào)隔離與濾波

3.1 現(xiàn)場(chǎng)采集情況分析

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，A/D采集會(huì)受到各種信號(hào)干擾，干擾對(duì)采集的影響，輕則降低信號(hào)質(zhì)量，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；重則破壞電路的正常功能，造成邏輯關(guān)系混亂，控制失靈。以某次現(xiàn)場(chǎng)采集為例，若不對(duì)干擾進(jìn)行處理，采集電壓波動(dòng)可達(dá)上百毫伏，致使噴水推進(jìn)器舵角和倒航斗抖動(dòng)劇烈，控制失效。因此，正確處理好干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)采集和控制具有重要影響。

對(duì)于噴水推進(jìn)操舵控制系統(tǒng)，舵角變化為-30°~+30°，對(duì)應(yīng)電壓為0~5000mV，對(duì)應(yīng)PIC的采集數(shù)據(jù)為0~FFFH（十六進(jìn)制表示，簡(jiǎn)稱為Hex值），即為0~4095。舵角顯示和控制的精度均為0.1°，對(duì)應(yīng)Hex約為7，電壓約為8.3mV。以穩(wěn)定狀態(tài)為例，為保證顯示和控制的精度，則采集電壓波動(dòng)最大不能超過8.3mV。對(duì)于上述提到上百毫伏電壓波動(dòng)，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所需控制精度，因此噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)離不開對(duì)采集過程的進(jìn)一步處理，包括添加硬件隔離器和采用軟件濾波。

3.2 信號(hào)隔離

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾主要包括電氣設(shè)備干擾、電磁場(chǎng)耦合干擾、共模干擾等。以共模干擾為例，A/D采集系統(tǒng)采用兩點(diǎn)接地，由于傳輸導(dǎo)線存在電阻，造成兩個(gè)分開的接地點(diǎn)存在一定的電位差，如圖3所示：

圖3　共模干擾的產(chǎn)生

由于寄生電容的存在，該電位差會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致輸入端共模干擾的產(chǎn)生[4-5]。

對(duì)于信號(hào)干擾的消除和抑制，基本方法為抑制干擾源和切斷傳播途徑?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾源不易處理，因此切斷干擾的傳播途徑成為常用而有效的抗干擾方法。為了將干擾源和敏感電路隔離開來，同時(shí)消除輸入端共模干擾，可采用電氣隔離。實(shí)現(xiàn)電氣隔離的方法從耦合方式來看，可以分為磁耦合隔離方式、光電耦合隔離方式、電容隔離方式等，其中磁耦合隔離最常用的耦合隔離方式[2]。磁耦合隔離一般采用隔離變壓器，采用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)將直流信號(hào)通過變壓器耦合到輸出級(jí)，這樣輸入輸出之間的信號(hào)干擾就很好地被抑制了。

采用隔離變壓器的隔離效果，如圖4所示：

圖4　信號(hào)隔離效果圖

由圖4可知原始信號(hào)中的大部分干擾被有效去除，且隔離信號(hào)平均電壓值的下降也表明地電位差被有效抑制。

3.3 軟件濾波

在A/D采集系統(tǒng)中，濾波往往不可或缺。軟件濾波不僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無需硬件安裝，而且能夠較好地抑制采集過程中的干擾信號(hào)。常用的軟件濾波方法有：均值濾波、中位值平均濾波、滑動(dòng)平均濾波、一階滯后濾波、限幅濾波等等[6]。

本采集系統(tǒng)共有兩處需進(jìn)行軟件濾波：（1）PIC單片機(jī)；（2）上位機(jī)。

由于PIC計(jì)算能力有限，不利于進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，因此采用簡(jiǎn)單有效的均值濾波，采集次數(shù)由采集周期和所需采集精度決定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，每次采集進(jìn)行64次采樣（便于PIC進(jìn)行除法運(yùn)算），能獲得較高的采集周期和采集精度。采集系統(tǒng)共有6路，每次采集需進(jìn)行384次采樣，需要指出的是，6個(gè)通道應(yīng)輪流采樣以擴(kuò)大單通道的采集時(shí)間，以便能更好地抑制低頻干擾信號(hào)。與輪流采樣相對(duì)的是集中采樣，其采集方式為待某一通道64次采樣完畢后再進(jìn)行下一通道采集。

未加隔離器條件下采用輪流采集及均值濾波后的效果，同時(shí)給出了與集中采樣的對(duì)比結(jié)果，如圖5所示：

圖5　均值濾波效果圖

圖5 的結(jié)果表明采用輪流采集濾波后效果顯著，電壓最大波動(dòng)為10mV左右。

然而，由于只采用PIC均值濾波并不能保證電壓最大波動(dòng)小于8mV，因此利用信號(hào)隔離和PIC均值濾波共同處理，處理后的數(shù)據(jù)如圖6（上半側(cè)）所示：

圖6　取A=3時(shí)限幅濾波效果

該采集數(shù)據(jù)由上位機(jī)保存，且為了便于分析，以Hex值表示。由圖6可知，上位機(jī)采集數(shù)據(jù)Hex值最大變化為5，小于控制精度0.1°對(duì)應(yīng)的Hex值7。但當(dāng)手輪手柄處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，顯示值仍會(huì)發(fā)生0.1°跳變，這是因?yàn)榻嵌茸钚】潭茸兓姆纸缇€是一固定值，而非區(qū)間。

為了滿足手輪手柄穩(wěn)定狀態(tài)下顯示值不發(fā)生跳變，可采用限幅濾波法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采集允許的最大偏差（設(shè)為A＞0）。每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差的絕對(duì)值＜=A，則本次值有效；如果本次值與上次值之差的絕對(duì)值＞A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值[6-7]。該方法能使在較小范圍內(nèi)波動(dòng)的信號(hào)維持在某一恒定值，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)延時(shí)，具有良好的靈敏性。

圖6表明采用硬件隔離器、PIC均值濾波和限幅濾波在手輪手柄穩(wěn)定時(shí)可以達(dá)到很好的效果，但并未給出信號(hào)變化時(shí)的采集情況。由于限幅濾波是對(duì)小范圍變化的信號(hào)進(jìn)行固定，不會(huì)對(duì)快速信號(hào)的采集產(chǎn)生影響，因此只需分析當(dāng)信號(hào)源變化較慢時(shí)采集濾波結(jié)果即可。以現(xiàn)場(chǎng)手輪信號(hào)為例，其最慢變化周期約為50s左右，為了進(jìn)一步說明，利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字發(fā)生器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變化周期放大至100s左右進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

系統(tǒng)對(duì)100s周期斜坡信號(hào)的采集情況（左），并給出了局部放大圖（右），如圖7所示：

圖7　對(duì)緩慢信號(hào)的跟隨情況

結(jié)果表明，限幅濾波會(huì)導(dǎo)致極緩慢信號(hào)的不連續(xù)，但其跳變幅度小于控制精度，所以不會(huì)對(duì)系統(tǒng)控制性能產(chǎn)生影響。

3 總結(jié)

本文針對(duì)噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)存在的A/D采集頻率低、采樣精度不高問題，利用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的獨(dú)立，提高了系統(tǒng)采集頻率和精度。同時(shí)，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)A/D采樣存在的干擾問題，通過對(duì)干擾源和干擾傳播途徑的分析，利用隔離變壓器實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)干擾的有效抑制。根據(jù)采集信號(hào)特點(diǎn)，采用了限幅濾波法對(duì)數(shù)據(jù)作了進(jìn)一步處理，達(dá)到了系統(tǒng)控制精度，同時(shí)不影響系統(tǒng)的靈敏性。此A/D采集模塊具有采集頻率高、精度高以及良好的通用性，可廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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Implement of A/D Acquisition Module Based on PIC Microcontroller

Gong Zhenghua1, Pang Ming2, Zhou Guanze1, Zhang Yan1, Wang Xiaochu3, Yuan Jingqi3
(1. Laboratory of Science and Technology on Waterjet Propulsion,the 708th Research Institute of China State Shipbuilding Corporation, Shanghai 200011, China; 2. Standard Technical Services (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201612, China; 3. Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:In order to increase A/D sampling frequency of the marine water-jet propulsion system, an independent acquisition system based on the PIC microcontroller was proposed. The acquisition system, which used the RS-232 serial port for data communication, may both increase the sampling frequency and enhance the stability. Meanwhile, the isolation transformer is used to cut off the transmissions of interference signals during A/D acquisition in real applications, which achieved a satisfactory interference suppression effect. To meet the accuracy requirement of display and control, limit breadth filter is utilized to adapt the characteristics of the sampling signal. Testing results illustrated that the acquisition system had superior performance in compared with the system practiced on a marine water-jet propulsion system.

Key words:Water-jet Propulsion; A/D Acquisition; Interference Analysis; Limit Breadth Filter

收稿日期：（2014.08.21）

作者簡(jiǎn)介：龔征華（1974-）， 男，江蘇省人，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所，噴水推進(jìn)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高級(jí)工程師，研究方向：噴水推進(jìn)控制，上海，200011 龐 明（1985-），男，廣西人，通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，工程師，研究方向：標(biāo)準(zhǔn)化，上海，201612周冠澤（1986-）， 男，江蘇省人，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所，噴水推進(jìn)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工程師，研究方向：噴水推進(jìn)控制，上海，200011 張 巖（1974-）， 男，遼寧省人，中船708研究所噴水推進(jìn)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高級(jí)工程師，研究方向：噴水推進(jìn)泵，上海，200011王曉初（1990-），男，江西九江人，上海交通大學(xué)，碩士研究生，研究方向：噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，上海，200240袁景淇（1959-），男，上海交通大學(xué)，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：工業(yè)過程模型化與控制，上海，200240

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61233004）；教育部博士點(diǎn)基金 （20110073110018）

文章編號(hào)：1007-757X(2016)01-0001-03

中圖分類號(hào)：TP

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A