采用IEC－625總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

1　引　言
　　隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，實驗測試手段發(fā)生了質(zhì)的飛躍。人們把微機引入實驗系統(tǒng)，對實驗數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)智能化控制，提高了實驗的可靠性和可重復性，同時實驗數(shù)據(jù)的處理能力也大大增強。目前，許多高校的實驗室購置了微機，并配備了相應的實驗軟硬件系統(tǒng)，但通常這些實驗室所用的軟硬件系統(tǒng)專業(yè)性強而通用性差，一套系統(tǒng)只能做一兩個實驗，一臺微機必須配備多套系統(tǒng)才能做多個實驗。這不僅給實驗室的使用和管理帶來不便，而且浪費了硬件資源（因為購置多套系統(tǒng)），在大部分實驗室經(jīng)費有限的情況下，這種浪費顯得尤為突出。為此，我們根據(jù)需要為化學實驗設計了一套新型的計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的突出特點是具有很強的通用性和擴展性。
2　系統(tǒng)簡介
　　該系統(tǒng)的通用性表現(xiàn)在只用一套系統(tǒng)便可進行大部分化學實驗，同時，由于該系統(tǒng)采用了標準的并行總線接口IEC－625，實驗者可以像搭積木一樣隨意增加或減少測量所需的從機設備數(shù)量，因而具有良好的擴展性。系統(tǒng)中主機與測量從機之間的連接方式如圖1所示。
　　該系統(tǒng)可取代一些常規(guī)性的實驗儀，如自動平衡記錄儀、XY函數(shù)記錄儀等。另外，系統(tǒng)配備了PH復合電極接口和集成PN溫度傳感器接口一個，在接口上接上PH復合電極和集成PN溫度傳感器，系統(tǒng)又可取代PH酸度計和貝克曼溫度儀。
　　我們使用這套系統(tǒng)已在物理化學中支持以下17種實驗，取得了良好的實驗效果：（1）中和熱的測定；（2）燃燒熱的測定；（3）化學反應熱效應的測定；（4）Pb－Sn二元金屬相圖的繪制；（5）醋酸、磷酸的電位滴定；（6）H2O2催化分解反應速度常數(shù)的測定；（7）乙酸乙脂皂化反應速度的測定；（8）乙酸電離常數(shù)的測定；（9）強電解質(zhì)極限摩爾電導的測定；（10）二元溶液活度系數(shù)的測定（色譜法）；（11）原電池電動勢的測定；（12）丙酮碘化反應速度常數(shù)及活化能的測定；（13）酚酞電離平衡常數(shù)的測定；（14）酶催化H2O2分解反應動力學測定；（15）氫超電勢的測定；（16）恒電位線性掃描法測定極化曲線；（17）差熱分析。
3　硬件設計
　　該系統(tǒng)的硬件部分由信號采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號通訊、IEC－625總線接口這五大模塊組成，信號流程如圖2所示。
　?。?）信號采集模塊是由各類實驗測量儀器和傳感器組成，如電導率計、溫度傳感器、PH計等。它們的作用是將化學實驗信息轉(zhuǎn)化為可處理的模擬電壓信號。

　?。?）信號調(diào)理模塊由濾波電路和程控放大器組成，以去除干擾，將信號大小變換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作范圍內(nèi)。
　　程控放大器的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由兩個高輸入阻抗的同相放大器A1，A2組成第一級，實現(xiàn)高輸入阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩沟淖杩棺儞Q；第二級A3為一個差分放大器。R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，如果R3＝R4，則電路的閉環(huán)增益為：
　　Af＝－（1＋2R1／Rg）
利用多路開關(guān)切換Rg的大小，就可改變放大倍數(shù)。Vi1，Vi2為差模信號輸入端。

　　整個電路實現(xiàn)對電壓信號的程控放大和阻抗變換，并對共模信號具有很高的抑制，實際電路設計的程控放大量為三檔，最大放大量為10，此時系統(tǒng)可測電壓范圍為±0．2V，電壓分辨率為0．01mV，輸入阻抗為1012Ω；最小放大倍數(shù)為0．1，此時系統(tǒng)可測電壓范圍為±20V，電壓分辨率為1mV，輸入阻抗為106Ω；當放大量為1時，系統(tǒng)可測電壓范圍為±2V，精度為0．1mV，輸入阻抗為1012Ω。
　?。?）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為計算機可處理的數(shù)字量。該部分以體積小巧、性能穩(wěn)定的單片機89C51為核心，A／D轉(zhuǎn)換采用ICL7135雙積分型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由穩(wěn)壓器MC1403提供基準電壓，電路原理如圖4所示。