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0 引言 現代工業(yè)測量?jì)x表以單片機為核心，具有數字顯示、開(kāi)關(guān)量輸出、超限報警和通信等功能。用于測量各類(lèi)工業(yè)現場(chǎng)的檢測信號，是工業(yè)控制自動(dòng)化必不可少的重要檢測和控制裝置。廣泛應用于電力、化工、冶金等部門(mén)。 隨著(zhù)元件生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化水平的提高，對測量裝置的要求越來(lái)越高。為實(shí)現低漂移、高穩定、高分辨率，使用了CS5550 A／D轉換器。本系統通過(guò)簡(jiǎn)單的跳線(xiàn)，實(shí)現了單一儀表對電壓、電流、電阻等各信號的采集，通過(guò)強大的程序實(shí)現各種信號的變換，真正達到了一表多用的智能型儀表。 1 硬件電路設計 儀表各種輸入信號經(jīng)跳線(xiàn)選擇，切換測量電路后直接送入CS5550 A／D轉換器，轉換成數字量送入CPU處理，輸入信號經(jīng)線(xiàn)性化、冷端補償、外線(xiàn)電阻補償等運算后，得到測量值送LED顯示或經(jīng)RS-232傳給上位機或其它控制器，同時(shí)與用戶(hù)設定的報警值進(jìn)行比較，從而驅動(dòng)繼電器報警輸出。 系統結構如圖1所示，測量電路與A／D轉換的模擬電路部分是系統設計的關(guān)鍵，直接影響到測量結果的精確程度。軟件的核心部分是將采集到的數字信號量轉換成準確測量結果，如將熱電偶的微弱電壓信號轉換成對應的溫度值。 
1．1 A／D轉換電路 本系統的A/D轉換采用Cirrus Logic公司的兩通道、低成本Delta-Sigma模數轉換器CS5550芯片，是一種便于設計、性?xún)r(jià)比高的小體積高集成解決方案。 CS5550集放大器、A／D轉換器、數字濾波器、基準電壓電路和雙向串口于一身。具有方便的片上偏移和增益校準功能，通過(guò)串口可重新設置完成初始化，可直接輸出精確測量結果。它是一個(gè)雙通道解決方案。 CS5550的模擬電源與數字電源分開(kāi)提供，模擬電源部分使用了RC低通濾波電路，增強了系統的穩定性。使用片上提供的基準電壓源，簡(jiǎn)化電路設計。通過(guò) SPI接口與單片機進(jìn)行通信。CS5550的外圍參考電路如圖2所示。
1．2 測量電路 測量電路如圖3所示，信號輸入接在接線(xiàn)端子上，通過(guò)跳線(xiàn)選擇輸入信號的測量電路。這里，跳線(xiàn)可以使用模擬開(kāi)關(guān)替代，通過(guò)單片機控制進(jìn)行切換。
當跳線(xiàn)1、2短接時(shí)，測量輸入電壓信號，可接熱電偶的信號輸入。 當跳線(xiàn)5、6短接時(shí)，測量輸入電流信號，電流經(jīng)過(guò)精密電阻r產(chǎn)生壓降，這樣只需知道電阻r的阻值，便可測得電流值，可接0～10mA、4～20mA標準信號。 當跳線(xiàn)3、4短接時(shí)，測量輸入電阻信號。電阻測量法可以采用恒流源法，它既可以消除引線(xiàn)電阻的影響，輸出電壓又不存在非線(xiàn)性，但是造價(jià)比較昂貴。 本系統采用三線(xiàn)式電阻測量法，如圖3中虛線(xiàn)部分為測量電阻的兩根信號線(xiàn)，電阻接地線(xiàn)為第三根線(xiàn)。因為引線(xiàn)通常采用的是同種材料、同等長(cháng)度，所以引線(xiàn)上電阻產(chǎn)生的壓降、溫度漂移相互抵消。通過(guò)LM336提供穩定的基準電壓源，消除電源不穩定對電阻測量的影響。這種方案成本低、測量準確、穩定。 1．3 鍵盤(pán)和LED顯示 本系統提供四個(gè)按鍵，接在單片機的P1．0～P1．3上，其功能分別為”菜單”、”+”、”一”、”確定”。按鍵信息通過(guò)定時(shí)掃描進(jìn)行讀取，具有軟件去抖動(dòng)，提高穩定性。通過(guò)按鍵對系統進(jìn)行控制，執行校準、設定值、信號變換類(lèi)型的切換等。LED顯示通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，無(wú)閃爍，通過(guò)緩沖區機制存取，數據變化時(shí)只需更新緩沖區即可。 1．4 EEPROM存儲系統 EEPROM用于產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)，系統校準參數永久保存，這樣系統上電工作時(shí)，首先從EEPROM中讀取系統的參數數據。在系統運行長(cháng)時(shí)間后，系統參數可進(jìn)行重新校準，確保測量的精確性。 1．5 RS-232通信接口 RS-232是系統與上位機或其它控制器的通信接口。通過(guò)RS-232可實(shí)時(shí)地輸出測量數據或報警信號數據，作為其它控制器的輸入，并可通過(guò)RS-232 對運行模式進(jìn)行設定，為工業(yè)控制自動(dòng)化和組態(tài)提供了方便。 1．6 開(kāi)關(guān)量輸出電路 該電路作為控制器向外輸出信號之用。利用鍵盤(pán)將最高、最低設定值置入內存，并保存到EEPROM中長(cháng)久保存。儀表隨時(shí)比較采樣值和設定值，并把比較結果以開(kāi)關(guān)量方式輸出，達到控制外設的目的。開(kāi)關(guān)量輸出電路由光電耦合電路和輸出繼電器組成，如圖4所示。
2 軟件設計 軟件部分采用模塊化編碼，主要模塊有：系統參數校準模塊、數據計算與變換模塊、鍵盤(pán)和LED顯示模塊、CS5550操作模塊、93C46 EEPROM存儲模塊、RS-232通信模塊、開(kāi)關(guān)量輸出控制模塊等。軟件系統的總體流程如圖5所示。
系統開(kāi)機后，首先進(jìn)行初始化，將校準過(guò)的系統參數從EEPROM中載入，對I/O、A／D等進(jìn)行初始化。接下來(lái)進(jìn)入程序主循環(huán)，執行鍵盤(pán)掃描，當有按鍵按下時(shí)，進(jìn)行按鍵處理，根據按鍵組合，進(jìn)行CS5550參數校準、測量電路校準、信號變換類(lèi)型的切換或參數值設定等。若無(wú)按鍵按下，則對輸入信號采樣，計算，并根據設定的變換類(lèi)型進(jìn)行數據變換后得到信號的測量值，然后刷新顯示緩沖區，更新顯示。得到的測量值再與開(kāi)關(guān)量的高低設定值比較，輸出設定的相應電平，達到控制的目的。最后如有通信要求，執行相應的子程序后回到循環(huán)起點(diǎn)。 2．1 校準模塊 首先短接圖3測量電路中跳線(xiàn)1、2，輸入相應的基準信號，進(jìn)行CS5550的偏移和增益系數校準。然后短接跳線(xiàn)5、6，輸入標準電流i后，如取10mA，讀取實(shí)際的測量值，即電阻r上的壓降Ur，則r的阻值為Ur／i，并將該結果保存到EEPROM中作為系統參數之一。最后，短接跳線(xiàn)3、4，下面詳細介紹電阻測量電路中參數V，R的校準，待測電阻rx的計算，其等效電路如圖6 所示。
如圖6所示，rx為待測電阻，溈流經(jīng)rx的電流，所產(chǎn)生的壓降為u，由歐姆定律得到式(1)、(2)。
整理后得式(3)，其中V，R為未知數，u是由本系統測得的數據。通過(guò)連接精密電阻箱來(lái)取代待測電阻，取定rx兩個(gè)值，如100Ω和400Ω。代入式 (3)，解方程組可得V和R的校準值，并存入EEPROM中作為系統參數。
經(jīng)校準后便可根據式(4)精確地計算出待測電阻rx的值。 2．2 計算與變換模塊 經(jīng)校準和初始化后，CS5550進(jìn)入測量階段，通過(guò)最新獲得的N個(gè)瞬時(shí)測量值計算出轉換有效值后，以滿(mǎn)量程的相對百分比方式提供所有的測量結果。其中通道 1具有可編程放大器增益選擇，當工作在增益為10的情況下，如果測量結果低于10％，則系統將其增益切換成增益為50；反之，當工作在增益為50的情況下，如果測量結果高于90％，則系統將其增益切換成10。這樣不僅測量的信號范圍寬，而且提高了系統測量的精確性。 從CS5550讀取測量結果轉化成相對百分比后，乘上相應的滿(mǎn)量程值就可以得出實(shí)際測得的電壓值u，如果輸入的是電流值，則除以系統參數r即為所測得的電流值，如果是測量輸入電阻，則根據式(4)計算所測得的電阻值。 得到相應測量信號的實(shí)際值后需再進(jìn)一步地變換。如熱電偶輸入的是電壓信號，需變換成相對應的溫度信號，而且電壓一溫度之問(wèn)不是線(xiàn)性的變換關(guān)系。變換方法可以采用多項式曲線(xiàn)擬合方法或者小區間線(xiàn)性化處理方法。 本系統可進(jìn)行十幾種的信號變換，真正做到一表多用，下面介紹信號變換切換的C語(yǔ)言實(shí)現方法，這是通過(guò)函數指針來(lái)實(shí)現的。首先聲明函數指針， typedef float，(*convert_t)(float val)； 然后定義該函數指針的一個(gè)變量， convert_tconvert： 下面是一些信號變換的函數原形聲明，函數中的參數是測量的電壓值，函數返回的是變換后的值， float lkConvert(float val)： ／／熱電偶K級 float lsConveit(float val)：／／熱電偶S級 float Pt100Convert(float val)：／／熱電阻Pt100 float Cu50Conveit(float val)： ／／熱電阻Cu50 信號變換切換方法示例如下， SWitch(opNum){ case 1： ／／熱電偶K級 convert=lkConvert： break： …… ｝ 確定了信號變換函數，最后是函數調用，舉例如下， unsigned long temp； float result； ／／從CS5550中讀取通道1數據 temp=read(Ox16)； ／／轉換成百分比 result=temp／(float)0x0l000000； ／／乘上滿(mǎn)量程值 result*=fullScale； ／／執行信號變換 result=convert(result)； 這樣result變量就是傳感器對應的信號值，如溫度。 3 結束語(yǔ) 本系統使用CS5550進(jìn)行硬件核心電路設計，性?xún)r(jià)比極高，使用簡(jiǎn)單的配置實(shí)現一表多用，體積小、集成度高、運行可靠，有很好的推廣價(jià)值。 作者：福州大學(xué) 蘇松劍 吳景東 來(lái)源：電子技術(shù) |
