基于MAX110的容錯(cuò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 論述了一種容錯(cuò)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)在串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的中斷服務(wù)程序中使用軟件定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MAX110意外停止轉(zhuǎn)換的故障恢復(fù)，確保了MAX110自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換功能的容錯(cuò)性，可提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。

在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相聯(lián)系的接口電路的設(shè)計(jì)在保證性能的同時(shí)，要求有較高的可靠性和性能價(jià)格比。對(duì)于模擬輸入通道的設(shè)計(jì)，串行接口的模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器愈來(lái)愈受到設(shè)計(jì)者們的關(guān)注。串行接口A/D轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、芯片體積小、信號(hào)線大大減少、易于采取隔離措施，而且許多串行接口芯片的工作模式可編程、設(shè)計(jì)靈活。其中，MAXIM公司的二通道±14bit串行ADC MAX110在從串行接口讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)還完成下一轉(zhuǎn)換過(guò)程控制方式數(shù)據(jù)的寫入（包括轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制），這樣便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；在程序設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)采集進(jìn)程獨(dú)立設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定的方式自動(dòng)存儲(chǔ)到循環(huán)隊(duì)列中，完成和主進(jìn)程的數(shù)據(jù)交換，給系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。但由于系統(tǒng)受環(huán)境的干擾，A/D轉(zhuǎn)換器控制數(shù)據(jù)可能會(huì)出錯(cuò)，導(dǎo)致ADC意外停止轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)采集進(jìn)程停止，本文提出了針對(duì)這種故障的容錯(cuò)[１]設(shè)計(jì)方法。

１ 基于串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

工業(yè)過(guò)程控制的許多慢過(guò)程，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求較低，所以選用慢速A/D轉(zhuǎn)換器便可以滿足設(shè)計(jì)要求?！?4bit串行ADC MAX110BCPE轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到10ms，且可編程控制，精度和速度也可以滿足如溫度控制對(duì)象的數(shù)據(jù)采集要求。作者在設(shè)計(jì)適用于溫度控制的模糊智能調(diào)節(jié)器的過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集部分使用了基于串行ADC MAX110的具有容錯(cuò)功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。

模擬信號(hào)隔離可選兩種方法：選用模擬隔離放大器或在A/D的數(shù)字接口采用光電隔離。模擬隔離放大器價(jià)格較高，所以選擇數(shù)字隔離方法，而采用串行A/D可大大減少數(shù)字信號(hào)隔離路數(shù)。如圖１所示，串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的數(shù)字側(cè)與微處理器全部采用了光電隔離器件，將MAX110的數(shù)據(jù)輸入輸出信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請(qǐng)求信號(hào)由PC817實(shí)現(xiàn)電氣的隔離。在后續(xù)的模擬通道中采用了多路開關(guān)CD4051選通輸入的各路模擬信號(hào)，其中通道選擇信號(hào)也采取光電隔離的方法，這樣使A/D轉(zhuǎn)換器之后的所有電路都與微處理器部分隔離。

２ A/D異常停止轉(zhuǎn)換故障的自動(dòng)恢復(fù)原理

2.1 串行ADC MAX110的控制與數(shù)據(jù)傳遞

串行ADC MAX110的轉(zhuǎn)換方式和標(biāo)定由芯片控制字確定，控制字確定了MAX110 A/D轉(zhuǎn)換的通道、速度等各種工作方式。MAX110 的控制字包含：轉(zhuǎn)換時(shí)間控制，SCLK與過(guò)采樣頻率的比率控制、輸入通道選擇、增益標(biāo)定控制、內(nèi)部振蕩器掉電控制、模擬部分掉電控制。每次轉(zhuǎn)換按新送入的控制字工作?？刂谱指袷郊翱刂谱肿饔靡?jiàn)表１。

MAX110采用與Microwire SPI QSPI 串行接口通訊協(xié)議SPI: Serial Peripheral Interface, QSPI Quick SPI）兼容的串行接口標(biāo)準(zhǔn)[３]。其時(shí)序?qū)崿F(xiàn)如圖２所示。當(dāng)微處理器檢測(cè)到MAX110轉(zhuǎn)換完標(biāo)志 變高時(shí)，AD中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序首先將串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK初始化為0，再將MAX110片選信號(hào) 低，開始串行數(shù)據(jù)的全雙工傳輸：送MAX110轉(zhuǎn)換命令字，同時(shí)接收MAX110轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程是：首先，微處理器將要送命令字的最高位送到MAX110接收命令字的引腳DIN，然后將SCLK置高，MAX110利用SCLK時(shí)鐘信號(hào)的上升沿將命令字最高位讀入；這時(shí)微處理器將MAX110的轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位讀入。微處理器再將SCLK置低，使SCLK出現(xiàn)下降沿；MAX110在下降沿將轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二位送到DOUT引腳，微處理器將命令字的第二位送到DUN引腳，再將SCLK置高，MAX110利用SCLK 的上升沿讀入命令字的第二位；微處理器讀入MAX110轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二位。如此循環(huán)直到將十六位數(shù)據(jù)接收完畢，命令字寫完畢，完成數(shù)據(jù)交換，最后將 引腳置高。當(dāng)MAX110的 引腳被置高時(shí)，MAX110開始新的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的工作方式由剛接收到的命令字確定。微處理器A/D中斷結(jié)束，直到MAX110下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)間的到來(lái)。

2.2 A/D異常停止轉(zhuǎn)換故障的檢測(cè)及自動(dòng)恢復(fù)

A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的啟動(dòng)包括標(biāo)定和轉(zhuǎn)換控制字的設(shè)置，耗時(shí)較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)將MAX110設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，本次轉(zhuǎn)換啟動(dòng)下次轉(zhuǎn)換，下次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換控制字由本次提供，這樣MAX110就可以連續(xù)產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。但這種轉(zhuǎn)換方式有可能出現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換停止的故障。因?yàn)橄到y(tǒng)受到外界干擾時(shí)，可能會(huì)影響到某些數(shù)據(jù)線信號(hào)波形的偶然畸變，而串行A/D MAX110每次轉(zhuǎn)換都建立在收到正確轉(zhuǎn)換命令的基礎(chǔ)上，如受到干擾，轉(zhuǎn)換命令字錯(cuò)誤，有可能導(dǎo)致MAX110停止轉(zhuǎn)換，或者進(jìn)入休眠方式或模擬電路電壓切離的低功耗方式，這樣系統(tǒng)將停止數(shù)據(jù)采集。

解決這種停止轉(zhuǎn)換故障的方法如圖3所示。在數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集過(guò)程中，下次轉(zhuǎn)換的正常工作建立在本次正確送入控制字的基礎(chǔ)上，所以在微處理器的軟件定時(shí)器中設(shè)置一個(gè)按一定時(shí)間間隔不停增長(zhǎng)的計(jì)數(shù)器ADRUN，在A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序中將ADRUN計(jì)數(shù)器值清零。若A/D正常轉(zhuǎn)換，ADRUN計(jì)數(shù)器的值將保持在某一范圍內(nèi)；若A/D停止正常轉(zhuǎn)換，ADRUN計(jì)數(shù)器的值將超出預(yù)先設(shè)定的范圍。在系統(tǒng)程序的主循環(huán)中每次判斷ADRUN計(jì)數(shù)器的值，若ADRUN計(jì)數(shù)器超限，說(shuō)明MAX110停止轉(zhuǎn)換，隨即將MAX110重新初始化，使數(shù)據(jù)采集模塊恢復(fù)正常工作，同時(shí)在系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)中做出記錄以備分析。這種設(shè)計(jì)方法保證了數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定運(yùn)行，使系統(tǒng)具備了一定的容錯(cuò)功能。

本文論述的容錯(cuò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在自行設(shè)計(jì)的以Intel 80C196為微處理器的智能調(diào)節(jié)器中使用和測(cè)試。測(cè)試時(shí)，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)注入故障，使AD采集進(jìn)程停止工作，實(shí)驗(yàn)證明，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，故障得以排除并記錄了故障情況，數(shù)據(jù)采集正常進(jìn)行。但這種容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法的可靠性依賴于探測(cè)故障時(shí)所使用的定時(shí)器的可靠性，若定時(shí)器異常停止工作，系統(tǒng)將不能檢測(cè)到A/D轉(zhuǎn)換的故障。