采用IEC－625總線的數據采集與處理系統(tǒng)

1　引　言
　　隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，實驗測試手段發(fā)生了質的飛躍。人們把微機引入實驗系統(tǒng)，對實驗數據采集實現智能化控制，提高了實驗的可靠性和可重復性，同時實驗數據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)），在大部分實驗室經費有限的情況下，這種浪費顯得尤為突出。為此，我們根據需要為化學實驗設計了一套新型的計算機數據采集與處理系統(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的測定；（7）乙酸乙脂皂化反應速度的測定；（8）乙酸電離常數的測定；（9）強電解質極限摩爾電導的測定；（10）二元溶液活度系數的測定（色譜法）；（11）原電池電動勢的測定；（12）丙酮碘化反應速度常數及活化能的測定；（13）酚酞電離平衡常數的測定；（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、信號調理、模數轉換、數字信號通訊、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化為可處理的模擬電壓信號。

　?。?）信號調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轉換器的工作范圍內。
　　程控放大器的原理結構如圖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）
利用多路開關切換Rg的大小，就可改變放大倍數。Vi1，Vi2為差模信號輸入端。

　　整個電路實現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。
　?。?）模數轉換部分將模擬電壓值轉換為計算機可處理的數字量。該部分以體積小巧、性能穩(wěn)定的單片機89C51為核心，A／D轉換采用ICL7135雙積分型16位模數轉換器，由穩(wěn)壓器MC1403提供基準電壓，電路原理如圖4所示。