基于單片機(jī)的智能化模擬信號預(yù)處理系統(tǒng)

1　引　言

由傳感器輸出的模擬信號一般要作放大、衰減、濾波等預(yù)處理之后，才能送入ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在自動控制、智能儀表等領(lǐng)域中，要求這一處理過程可由軟件控制，自動調(diào)整放大或衰減倍數(shù)，設(shè)置低通濾波器的截止頻率，并且，還要將這些參數(shù)傳送給CPU，以便修正測量結(jié)果；大多數(shù)市售的成品數(shù)據(jù)采集板都不具備模擬信號的預(yù)處理功能，使用時必須外接人工控制的放大、濾波裝置，無法實現(xiàn)自動化。作者正是為了解決這些問題，才開發(fā)了這套基于單片機(jī)的智能化模擬信號預(yù)處理系統(tǒng)，當(dāng)然，該系統(tǒng)也可以作為一般的放大器、濾波器使用。

2　硬件電路

圖1為模擬信號預(yù)處理電路的簡圖。由雙電流輸出型DAC芯片AD7528和運(yùn)放構(gòu)成程控放大/衰減器，其原理是利用DAC內(nèi)部的R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，一個DAC作為運(yùn)放的輸入電阻，另一個作為反饋電阻。R-2R的其等效電阻可寫為：
　　RDACA=256RLDA/NA；RDACB=256RLDB/NB

其中RLDA和RLDB分別為DAC A和B的R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)電阻，NA和NB為十進(jìn)制的DAC輸入數(shù)字(1～255)。電路的增益為：Vout/Vin=-(RLDB/RLDA)×(NA/NB)。AD7528為雙精密匹配的DAC，其中RLDB=RLDA，所以，電路的增益為：Vout/Vin=-NA/NB，可見，它完全由輸入的數(shù)字量決定。所以，這個電路和不需要外接精密電阻即可獲得精確的放大倍數(shù)。放大范圍為1/255～255(-48dB～+48dB)。兩個AD7528的片選信號由譯碼器分別提供，因此，雙通道的放大倍數(shù)可以獨(dú)立設(shè)置。

經(jīng)放大或衰減后的模擬信號通過緩沖后，輸入到開關(guān)電容濾波器RF5609中。RF5609是七極點(diǎn)、六零點(diǎn)的橢圓函數(shù)低通濾波器，截止頻率為工作時鐘頻率的百分之一，可變范圍為0.1Hz～25kHz，通帶內(nèi)波動0.2dB，阻帶衰減100dB/倍頻程。也可以使用MAXIM公司的 MAX291～295系列開關(guān)電容低通濾波器。濾波器的工作時鐘由可編程定時/計數(shù)器8254A提供。8MHz晶體經(jīng)振蕩電路為8254A提供輸入時鐘， 8254A工作于方波發(fā)生器方式，由OUT0和OUT1分別提供給通道1和2的濾波器工作時鐘，因此，兩個通道可以設(shè)置相同的或不同低通截止頻率。

濾波器之后的RC電路用以消除工作時鐘所帶來的干擾。預(yù)處理后的模擬信號經(jīng)緩沖器后輸出。

圖1　模擬信號預(yù)處理

圖2為鍵盤和顯示器電路，由8255的PA、PB經(jīng)驅(qū)動后控制6位LED數(shù)碼顯示器；PA和PC控制18個鍵的鍵盤，其中包括數(shù)字鍵“0～9”、除號 “÷”、上翻“Up”、下翻“Down”、本地/遠(yuǎn)程“Local/Remote”、放大器/濾波器“PGA/LPF”、通道 “Channel1/Channel2”、自動設(shè)置“Auto”和回車鍵“Enter”。

圖2　鍵盤和顯示器

圖3為CPU電路。采用8031CPU，EPRO-M2764作為程序存儲器，也可以由8751替代。系統(tǒng)運(yùn)行過程中沒有大量的數(shù)據(jù)需要存儲，故不設(shè)數(shù)據(jù)存儲器。由A13～A15三根地址線經(jīng)74LS138譯碼器譯碼，形成CS0～CS4片選線，分別控制8254、兩片AD7528、8255和DAC-0808。設(shè)置DAC的目的在于，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定為“自動設(shè)置”時，可根據(jù)要求的輸出模擬信號電平或ADC的半量程值，由本系統(tǒng)自動調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。另外，設(shè)置了RS232收發(fā)電路，以便遠(yuǎn)程控制。

圖3　CPU電路

3　軟件流程

主要軟件可分為：“本地控制”軟件、“遠(yuǎn)程控制”軟件和“自動設(shè)置”軟件三部分。圖4為“本地控制”流程。以“LDCAL”表示系統(tǒng)處于“本地控制” 狀態(tài)。用戶可以通過鍵盤分別設(shè)置雙通道的放大倍數(shù)和低通濾波器的截止頻率，“衰減1/200”顯示為“1-200”，輸入是1÷200凇

圖4　“本地控制”流程圖

圖5為“遠(yuǎn)程控制”流程。以“232C”表示通過RS232串行口，由主控制機(jī)控制本系統(tǒng)。只識別主控機(jī)以數(shù)字 0～4形式發(fā)送的5條命令，并作出相應(yīng)的動作。當(dāng)主控機(jī)要求本系統(tǒng)“自動設(shè)置”時，在自動設(shè)置好放大倍數(shù)后，還會將設(shè)定的值傳送給主控機(jī)，以便標(biāo)定用。注意，本系統(tǒng)不能自動設(shè)置低通濾波器的截止頻率，只能使用確省值或在此之前設(shè)定的值。

圖5　“遠(yuǎn)程控制”流程圖

圖6為“自動設(shè)置”流程。根據(jù)主控機(jī)發(fā)送的或鍵盤設(shè)定的放大器輸出電壓和ADC0800的量程范圍(±10V)，可計算出需要采入的數(shù)值。例如，設(shè)定輸出電壓為2500mV，則采入的數(shù)據(jù)對于正電壓要大于或等于192，對于負(fù)電壓要小于或等于64，如果未達(dá)到，則再增加一級放大倍數(shù)，繼續(xù)采集和判斷。雖然放大倍數(shù)可能以1/255的步長遞增，但為了加快速度，可以以較大的步長遞增，或者以等比序列遞增。

圖6　“自動設(shè)置”流程圖

4　總　結(jié)

本系統(tǒng)將模擬信號的預(yù)處理與單片機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來，以其完善的控制功能實現(xiàn)了模擬信號的智能化處理，已在設(shè)備的改造、自動控制、智能儀器儀表等的研究和開發(fā)等工作中發(fā)揮了出色的作用。

5　參考文獻(xiàn)
　[1]何立民.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
　[2]呂俊芳.傳感器接口與檢測儀器電路.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994