基于SD8100的數(shù)字萬用表模塊的設計與實現(xiàn)

摘要：本文介紹了數(shù)字萬用表專用芯片SD8100的主要功能及特點，并利用SD8100來設計與實現(xiàn)一款適合工業(yè)控制和電子測試領域的數(shù)字萬用表模塊。

引言

　　在工業(yè)控制和電子測試領域，經(jīng)常需要對電阻、電壓、電流等信號進行長時間的測量和監(jiān)控，用來判斷工況是否正常。顯然，使用普通數(shù)字萬用表進行單次測量無法滿足實時監(jiān)控要求。而使用專用的檢測設備及傳輸設備又會導致監(jiān)控成本過高。因此迫切需要一款體積小、功耗低、便于信號傳輸且成本較低的監(jiān)控解決方案。而基于SD8100芯片的數(shù)字萬用表模塊既具有測量精度高、速度快、功耗低、抗干擾能力強等特點，又具備測量自動化程度高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，能夠滿足對電阻、電壓、電流、頻率等信號的檢測和實時監(jiān)控。

1 SD8100功能及特點

　　SD8100是杭州晶華微電子有限公司推出的數(shù)字萬用表專用芯片。該芯片自帶24位ADC(Analog to Digital Converter)，特有的交流測量功能可以直接將交流信號接到芯片的ADC通道進行測量。該芯片有豐富的資源：RTC(Real Time Clock)模塊可以計算年、月、日、時、分和秒，可以自動進行閏年計算;UART模塊可以方便用戶跟計算機等設備通訊;多種可選擇的輸出電源可以給外部器件提供穩(wěn)定的電壓;有外部晶振和內(nèi)部RC振蕩時鐘可以選擇;自帶16kB的OTP(One Time Programmable)可以由用戶設置做E2PROM(Electrically Erasable Programmable Read-Ony Memory)使用，從而節(jié)省外部E2PROM。使該芯片在各種儀表測量應用中極大地簡化外圍器件，其性能特征如下：

　　● 差分3通道或單端6通道、高精度ADC，24位輸出，20位有效位數(shù);

　　● 低噪聲高輸入阻抗前置放大器包含1、12.5、50、100和200倍可選增益;

　　● 8位RISC超低功耗MCU，在2MHz工作時鐘和3V工作電壓下，電流典型值為200μA;32kHz時鐘工作在待機模式下的電流只有1.5μA，待機模式下電流典型值小于1μA;

　　● 抗干擾能力強，EFT試驗大于4kV;

　　● 集成多種時鐘振蕩器，靈活多樣的時鐘選擇。選擇外部晶振時，支持停振檢測功能，當外部晶振停振時會自動喚醒內(nèi)部2MHz RC振蕩電路，并切換成內(nèi)部時鐘工作，觸發(fā)中斷;

　　● 12SEG×4COM液晶驅動電路，超低功耗和大驅動能力設計，內(nèi)含程控升壓模塊，可以在低壓條件下維持高亮顯示，并支持灰度調(diào)節(jié);

　　● 豐富的外圍資源：UART、I2C、PDM、PFD、CAPTURE和TIMER;

　　● 工作電壓范圍：2.4V～3.6V;

　　● 工作溫度范圍：-40℃～85℃。

2 數(shù)字萬用表模塊硬件設計

　　數(shù)字萬用表模塊電路主要由SD8100及外圍電路、測量控制及接口電路、隔離RS-232串口電路、電源變換電路等組成。所有元器件都選用工業(yè)級產(chǎn)品，以滿足惡劣環(huán)境條件下的使用要求。數(shù)字萬用表模塊原理框圖如圖1所示。

　　SD8100及外圍電路主要由SD8100芯片、4MHz晶體、校準接口和燒錄接口組成。其中AIO0～AIO3、ACM和Hz用于電壓、電流、電阻及頻率檢測輸入;io2～io9用于檢測功能選擇及量程自動切換控制。CLK、DIN、EXT_2M和DOUT用于程序燒錄;7.5V標準電源用于校準輸入。其原理如圖2所示。

　　測量控制及接口電路主要由控制繼電器、運算放大器、三極管、二極管、MOS管、電阻、電容器等組成。繼電器K2、K3控制電流測量檔位。當使用5A檔時，閉合繼電器K2，被測信號送入SD8100芯片的ACM和AIO3;使用1A檔時，閉合繼電器K3，被測信號送入SD8100芯片的ACM和AIO2;電壓檢測時，閉合繼電器K3，被測信號送入SD8100芯片的ACM和AIO2;電阻檢測時，閉合繼電器K1，被測信號送入SD8100芯片的AIO0和AIO1，同時檢測檔位由io3～io6進行控制;頻率檢測時，閉合繼電器K4，被測信號送入Hz。繼電器K1～K4的動作分別由io7、io8和io9、io2控制。為了保證測試精度，電阻精度值大于1%。R21為0.1Ω的錳銅電阻，供電流測量時5A檔使用。其工作原理如圖3所示。

　　隔離RS-232串口電路主要由ADI公司的ADM3251E芯片、電容器和DB9插座組成。ADM3251E為隔離型RS-232接口芯片。該芯片支持1TX和1RX通道，支持2.5kV隔離電壓，支持8kV靜電放電電壓。該隔離RS-232串口電路與傳統(tǒng)的隔離RS-232串口電路設計相比，主要節(jié)省了1個DC-DC隔離電源模塊和2個光耦合器件，簡化了電路設計，節(jié)省了印制板布局空間及電路成本。其工作原理如圖4所示。

　　電源變換電路由HT7333芯片、輸入和輸出濾波電容組成。HT7333是HOLTEK公司DC-DC電源轉換芯片。該芯片最高輸入電壓12V，輸出電壓3.3V，最大輸出電流250mA。本模塊采用5V直流電源供電，輸出3.3V直流電源。其工作原理如圖5所示。

3 數(shù)字萬用表模塊通信接口協(xié)議

　　數(shù)字萬用表模塊與上位機采用RS-232串口進行通信，比特率為9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位偶校驗位。通信協(xié)議如下：

　　上位機寫命令：包頭(0xAA55，兩字節(jié)) + 寫命令(0x01，一字節(jié)) + 類型(一字節(jié))，包長度固定4字節(jié)。

　　數(shù)字萬用表模塊響應：包頭(0xAA55，兩字節(jié)) + 響應命令(0x02，一字節(jié)) + 類型(一字節(jié)) + 數(shù)據(jù)(五字節(jié))，包長度固定9字節(jié)。

　　數(shù)據(jù)響應過程：上位機發(fā)送命令后，數(shù)字萬用表模塊需要在1s內(nèi)測量指定電壓/電流/電阻/頻率數(shù)據(jù)，并回送相應數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)類型指需要數(shù)字萬用表模塊測試電壓、電流、電阻、頻率及自檢信息，數(shù)據(jù)類型見表1。

　　數(shù)據(jù)表示數(shù)字萬用表模塊電壓/電流/電阻/頻率測量結果，數(shù)據(jù)用5個字節(jié)表示(正負符號1個字節(jié)(00表示正，11表示負，其中電阻和頻率都為正)+整數(shù)2個字節(jié)+小數(shù)2個字節(jié))，數(shù)據(jù)高位在前。數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

　　示例：測量結果為2.56V，送回數(shù)據(jù)為0x0000025600;

　　測量結果為-2.56V，送回數(shù)據(jù)為0x1100025600。

4 數(shù)字萬用表模塊檔位、量程及精度

　　數(shù)字萬用表模塊有測量直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻、頻率等6個功能檔位，每個檔位對應的量程及精度要求見表2。

5 結束語

　　基于SD8100數(shù)字萬用表模塊具有交流/直流電壓、電流測量功能和電阻、頻率測量功能。能夠通過上位機指令選擇測量檔位，能夠根據(jù)測量結果自動切換量程，并能夠將測量結果實時上報給上位機。該模塊具有體積小、重量輕、成本低、功能齊全、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應能力強等特點。目前已成功運用于我單位多款智能檢測儀，取得了較好的測量效果。

參考文獻

　　[1]SD8100規(guī)格書(V 0.2). 杭州晶華微電子有限公司, 2012年6月

　　[2]ADM3251E Datasheet (Rev. E)[R/OL].www.analog.com

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。