一種基于MPX2100型壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　3、雙積分模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

　　(1)芯片ICL7135介紹

　　ICL7135是美國MAXIN公司生產(chǎn)的一個(gè)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換集成電路，該芯片抗干擾能力強(qiáng)、分辯率高、價(jià)格低廉。它的分辯率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB，轉(zhuǎn)換輸出為0~19999;當(dāng)測量量程為0kN~2000kN時(shí)，這樣的精度使得儀表的分辯率達(dá)到0.1kN;模擬輸入可以保證0點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定性。由于7135輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)掃描BCD碼，因此常規(guī)設(shè)計(jì)一般通過并行接口與單片機(jī)連接，以節(jié)省單片機(jī)的硬件開銷，同時(shí) 8155中的定時(shí)器還可以滿足7135對(duì)時(shí)鐘的需要。

　　(2)A/D轉(zhuǎn)換電路及其原理

　　電路原理圖如圖5所示。

　　7135與8155的連接是通過4位2選1數(shù)據(jù)多路開關(guān)74LS157來實(shí)現(xiàn)的。其選通信號(hào)由7135的D5輸出控制。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，D5輸出高電平，74LS157選通B類通道，單片機(jī)通過PA0~PA3讀入萬位數(shù)B1、狀態(tài)位POL(極性)、OVR(過量程)和UR(欠量程);當(dāng)D5輸出完成時(shí)，變?yōu)榈碗娖?這一過程包括D4~D1數(shù)據(jù)輸出周期在內(nèi))，74LS157選通A類通道，單片機(jī)通過PA0~PA3將依次讀入8421碼值 B8，B4，B2及B1，即低位BCD碼，依次形成萬、千、百、十、個(gè)各位BCD碼(即轉(zhuǎn)換結(jié)果)。8155A口中斷請(qǐng)求線PC0反相后形成單片機(jī)的外中斷0觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)7135完成1次轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生5個(gè)數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標(biāo)志送入A口;A口收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，中斷線PC0變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)單片機(jī)的中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。7135的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)由P14控制，高電平轉(zhuǎn)換開始，低電平保持。

　　經(jīng)調(diào)理后的 0V~2V的模擬信號(hào)通過RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果包括2部分：極性和量程，反映轉(zhuǎn)換性質(zhì)的結(jié)果。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)為 D1，D2，D3，D41及D5，其中D5(萬位)只能是1或0，其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2，如果量程為 2V，則參考電壓為1V。為了保證轉(zhuǎn)換的溫度穩(wěn)定性和精度，采用高精度基準(zhǔn)電源MC1403，通過金屬膜多圈進(jìn)口電位器調(diào)節(jié)得到。參考電壓上并聯(lián)的CBB 電容C46(0.1mF)，C47(1mF)主要是保證參考電壓的穩(wěn)定性。

　　積分電容是決定轉(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵器件。按照7135應(yīng)用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關(guān)，選用時(shí)必須滿足以下要求：

　　R3=滿度電壓/20mA(3)

　　C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅(4)

　　式中，T=1/fclk。

　　fclk—7135的時(shí)鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時(shí)7135的轉(zhuǎn)換速率為3次/s。

　　在±5V系統(tǒng)中，如模擬地為0V，則擺幅為±4V，此時(shí)量程為?C2V~+2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。

　　(3)PLD技術(shù)的應(yīng)用

　　為節(jié)省了硬件電路的開銷，減少硬件電路產(chǎn)生的電磁干擾，系統(tǒng)的部分電路應(yīng)用了PLD技術(shù)，其可編程邏輯電路(見圖5)由可編程邏輯陳列芯片 GAL16V8組成，主要完成A/D轉(zhuǎn)換模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束選通信號(hào)產(chǎn)生單片機(jī)外中斷0中斷信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換，其邏輯方程如下：

　　P16=+(與非門)(5)

　　P14=P7+P8(或門)(6)

　　P13=(非門)(7)

　　式中，P2、P3、P7分別為單片機(jī)的、、ALE信號(hào);

　　P8—與非門輸出;P9—8155的A口中斷信號(hào);P13—生成的單片機(jī)外中斷觸發(fā)信號(hào)。

　　按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.LED，然后通過編程器寫入GAL16V8即可。

　　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用匯編語言編程，整個(gè)程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉(zhuǎn)換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉(zhuǎn)換處理子程序流程圖，如圖6所示。

　　四、非線性誤差的修正

　　傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器總是存在非線性誤差，由于上述非線性關(guān)系的存在，帶來了精度的降低，為了保證在整個(gè)范圍內(nèi)滿足精度的要求，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)控制要求對(duì)測量值進(jìn)行誤差修正，修正一般通過軟件較準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。其具體的修正方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的工作區(qū)段和質(zhì)量要求來確定。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制能力對(duì)非線性關(guān)系找出修正算法，并在反復(fù)測試調(diào)整后使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用分段線性插值法對(duì)測量值的曲線進(jìn)行了誤差修正處理。方法為：將0～XMAX分為若干工作區(qū)段，每段曲線用一段對(duì)應(yīng)的折線來代替，對(duì)每段折線可求出VQ：

　　Nt:VQ=ai×Nt+bi(8)

　　式中，I—某段折線的序號(hào);ai—該段折線的斜率;bi—該段折線的截距。

　　它們的修正程序流程圖如圖7所示，處理關(guān)系示意曲線如圖8所示。

　　預(yù)先將每段的之值存于單片機(jī)中，在不同的工作區(qū)段，單片機(jī)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的每段的上述值調(diào)出進(jìn)行運(yùn)算處理。(限于篇幅，定量的分析沒有討論)

　　五、結(jié)束語

　　本文描述的是一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它有許多優(yōu)點(diǎn)，可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作，而且抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。可廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域的壓力數(shù)據(jù)采集、檢測與分析。