惡劣環(huán)境下的高性價(jià)比數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其可靠性的要求也越來越高，而其中系統(tǒng)的抗干擾性能就是衡量其可靠性的重要指標(biāo).

　　眾所周知，工業(yè)環(huán)境比較惡劣，時(shí)常有強(qiáng)烈的電磁干擾，影響CPU的工作，導(dǎo)致程序不能按正常順序執(zhí)行，從而造成混亂、失誤或死機(jī).因此必須采取一定的抗干擾措施，否則系統(tǒng)就難以穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行.

　　工業(yè)環(huán)境中的干擾一般以脈沖形式進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，渠道主要有3條，即空間干擾、過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾.空間干擾是電磁信號(hào)通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng)的;過程通道干擾是通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其它系統(tǒng)的互連通道進(jìn)入的;供電系統(tǒng)干擾則是電磁信號(hào)通過供電線路進(jìn)入系統(tǒng)的.一般情況下空間干擾的強(qiáng)度很小，供電系統(tǒng)干擾則可以通過采用抗干擾電源來解決，因此微機(jī)系統(tǒng)中的難點(diǎn)是防止過程通道干擾.

　　抗干擾措施有硬件措施和軟件措施.硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會(huì)有少數(shù)干擾進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，故軟件措施作為第二道防線必不可少.軟件正常工作的前提首先是CPU必須正常，雖然CPU不能正常工作時(shí)還可以通過watchdog看門狗來復(fù)位，但是看門狗頻繁動(dòng)作將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作;此外軟件抗干擾措施是以占用CPU為代價(jià)的，如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性，因此構(gòu)建一個(gè)成功的抗干擾系統(tǒng)首先必須做好硬件的抗干擾措施，同時(shí)注意與軟件相結(jié)合.

　　1 方案的選擇和比較

　　本實(shí)驗(yàn)的主要目的就是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣、各種干擾因素較多的情況，研究一種既能夠有效防止工業(yè)環(huán)境中的過程通道干擾，又能穩(wěn)定而準(zhǔn)確高速地采集信號(hào)、進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并且性價(jià)比又較高的系統(tǒng).由于被測(cè)信號(hào)一般是由電力電子裝置產(chǎn)生的，這些裝置在工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生很多的高次諧波，此外在測(cè)量線路上有時(shí)也存在很多大容量的沖擊負(fù)載.由這些渠道產(chǎn)生的干擾，都將通過輸入輸出通道竄入到系統(tǒng)內(nèi)部干擾系統(tǒng)的正常工作.而當(dāng)外部工作環(huán)境比較惡劣時(shí)，這些干擾將尤為劇烈，容易導(dǎo)致CPU出現(xiàn)死機(jī)，程序跑飛的情況.因此，要切斷這條渠道，使干擾無法通過A/D通道竄進(jìn)，就要去掉對(duì)象與輸入輸出通道之間的電路聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈沖.常見的隔離方式有兩種，

　　第1種是對(duì)模擬量進(jìn)行隔離，常采用在A/D轉(zhuǎn)換前加隔離放大器.但是這種方式的每一路成本很高，如果采集通道有很多路，每一路都需要隔離放大器，這樣累計(jì)的成本就會(huì)更高，而且隔離放大器存在著線性不好，有相對(duì)誤差的問題;如果采用線性光隔的方式除了存在上述的誤差之外，還存在零點(diǎn)漂移和精度不高的問題.

　　第2種是在A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)數(shù)字量進(jìn)行隔離，在輸入輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸，從而將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電器上隔離開來，阻擋很大一部分干擾.這種隔離又有2種方案，其一是采用并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片.如果采用這種方式還要額外附加很多外圍器件，如多路開關(guān)、鎖存器等，而且由于數(shù)據(jù)是并行傳輸?shù)乃酝瑯有枰芏嗟墓怆姼綦x器件，造成器件多、系統(tǒng)體積大、可靠性降低，費(fèi)用高等問題.其二是在電路中采用一種串行輸出、集成度高、分辨率滿足要求、價(jià)格又相對(duì)比較便宜的A/D轉(zhuǎn)換芯片.這樣就不僅可以保證系統(tǒng)安全可靠地工作，更會(huì)大大降低工程所需成本.因此，從這個(gè)角度來考慮，在本系統(tǒng)的構(gòu)建中主要選用TLC2543串行輸出的芯片來完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，選用高速6N137來完成數(shù)字量的光電隔離，此外由于TLC2543自帶11個(gè)模擬輸入通道，故在電路中還節(jié)省了多路開關(guān).

　　2 主要器件介紹及硬件設(shè)計(jì)

　　A/D模塊采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換.由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省5l系列單片機(jī)I/O資源，且價(jià)格適中.其特點(diǎn)如下所述：

　　A/D轉(zhuǎn)換器有12位分辨率;

　　在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10us;

　　有11個(gè)模擬輸入通道;

　　采用3路內(nèi)置自測(cè)試方式;

　　采樣率為66 kbps;

　　線性誤差+1LSB(最大);

　　有轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出;

　　具有單、雙極性輸出;

　　有可編程的MSB或LSB前導(dǎo);

　　輸出數(shù)據(jù)長度可以編程設(shè)定為8位、12位或16位.

　　其芯片引腳排列如圖1.圖中AIN0～AIN10為模擬輸入端;/CS為片選端;Data input為串行數(shù)據(jù)輸入端;Data out為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端;EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端;I/O clock為I/O時(shí)鐘;REF+為正基準(zhǔn)電壓端;REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端;VCC為電源;GND為地.其具體硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示.

　　其中，單片機(jī)80C51是整個(gè)系統(tǒng)的核心，TLC2543芯片對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)通過P1.1引腳接收，A/D芯片的通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過P1.3引腳由單片機(jī)寫入TLC2543芯片，高速6N137芯片只需75 ns的延遲時(shí)間，用來對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行光電隔離，74LS32芯片完成功率驅(qū)動(dòng)的功能.

　　3 軟件流程

　　這一系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示.

　　TLC2543串行A/D轉(zhuǎn)換器采用的是SPI接口，SPI(serial peripheral interface)即串行外圍接口，是由motorola制定的一種串行接口規(guī)范，它可以在一個(gè)微控制器與一個(gè)或多個(gè)微控制器之間或硬件邏輯外圍電路之間實(shí)現(xiàn)同步通訊.它無須了解設(shè)備使用的協(xié)議、封裝形式和模式/控制位，而只須給出收發(fā)數(shù)據(jù)線、同步時(shí)鐘線和片選線即可方便地在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，至于上層協(xié)議則留給用戶和其軟件來設(shè)置.因此，使用這個(gè)接口可以很便利地實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備間的同步通訊.但是80C51微控制器一族并沒有提供SPI外圍接口，因此，為了實(shí)現(xiàn)與TLC2543A/D轉(zhuǎn)換器的SPI數(shù)據(jù)通訊，采用軟件來同步SPI操作.此外對(duì)于輸入信號(hào)上存在的干擾，也可以通過數(shù)字濾波的方式由軟件來消除.

　　4 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及成本估算

　　測(cè)試單通道數(shù)據(jù)時(shí)，滿量程電壓取為5 V，通過調(diào)節(jié)變換與通道直接相連的電位器的電壓，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示.

　　從表中的對(duì)比可以看出，測(cè)得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率是非常高的.此外采用本方案，串行采集11個(gè)通道的模擬量的成本合計(jì)也只需70元左右.而如果采用前文提到過的其它方案，則每采集一個(gè)通道的模擬量就需90多元，因而本方案既保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又大大地節(jié)省了工程的成本，有很好的應(yīng)用前景.

　　5 結(jié)束語

　　文中由串行A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件均經(jīng)過了運(yùn)行調(diào)試，證明其確實(shí)能夠有效地防止工業(yè)環(huán)境中的過程通道干擾，可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定，而且成本很低，具有很大的實(shí)用性和參考價(jià)值，并且已經(jīng)被制作成采集器應(yīng)用到鐵路信號(hào)電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中.