基于MAX110的容錯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

摘 要： 論述了一種容錯采集系統(tǒng)的設計方法，通過在串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的中斷服務程序中使用軟件定時器，實現(xiàn)了對MAX110意外停止轉(zhuǎn)換的故障恢復，確保了MAX110自動連續(xù)轉(zhuǎn)換功能的容錯性，可提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設計中，與工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相聯(lián)系的接口電路的設計在保證性能的同時，要求有較高的可靠性和性能價格比。對于模擬輸入通道的設計，串行接口的模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器愈來愈受到設計者們的關(guān)注。串行接口A/D轉(zhuǎn)換器接口電路設計簡單、芯片體積小、信號線大大減少、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、設計靈活。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)的同時還完成下一轉(zhuǎn)換過程控制方式數(shù)據(jù)的寫入（包括轉(zhuǎn)換啟動控制），這樣便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集；在程序設計時，數(shù)據(jù)采集進程獨立設計，數(shù)據(jù)按預先設定的方式自動存儲到循環(huán)隊列中，完成和主進程的數(shù)據(jù)交換，給系統(tǒng)程序的設計提供了很大的方便。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)可能會出錯，導致ADC意外停止轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)采集進程停止，本文提出了針對這種故障的容錯[１]設計方法。

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)過程控制的許多慢過程，對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)換器便可以滿足設計要求?！?4bit串行ADC MAX110BCPE轉(zhuǎn)換時間可達到10ms，且可編程控制，精度和速度也可以滿足如溫度控制對象的數(shù)據(jù)采集要求。作者在設計適用于溫度控制的模糊智能調(diào)節(jié)器的過程中，數(shù)據(jù)采集部分使用了基于串行ADC MAX110的具有容錯功能的數(shù)據(jù)采集設計方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。

模擬信號隔離可選兩種方法：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、時鐘信號、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號由PC817實現(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，其中通道選擇信號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)換故障的自動恢復原理

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)換時間控制，SCLK與過采樣頻率的比率控制、輸入通道選擇、增益標定控制、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姳恚薄?/P>

MAX110采用與Microwire SPI QSPI 串行接口通訊協(xié)議SPI: Serial Peripheral Interface, QSPI Quick SPI）兼容的串行接口標準[３]。其時序?qū)崿F(xiàn)如圖２所示。當微處理器檢測到MAX110轉(zhuǎn)換完標志 變高時，AD中斷產(chǎn)生，中斷服務程序首先將串行時鐘信號SCLK初始化為0，再將MAX110片選信號 低，開始串行數(shù)據(jù)的全雙工傳輸：送MAX110轉(zhuǎn)換命令字，同時接收MAX110轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程是：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時鐘信號的上升沿將命令字最高位讀入；這時微處理器將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MAX110的 引腳被置高時，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)束時間的到來。

2.2 A/D異常停止轉(zhuǎn)換故障的檢測及自動恢復

A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的啟動包括標定和轉(zhuǎn)換控制字的設置，耗時較長，設計時將MAX110設置為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，本次轉(zhuǎn)換啟動下次轉(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。但這種轉(zhuǎn)換方式有可能出現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換停止的故障。因為系統(tǒng)受到外界干擾時，可能會影響到某些數(shù)據(jù)線信號波形的偶然畸變，而串行A/D MAX110每次轉(zhuǎn)換都建立在收到正確轉(zhuǎn)換命令的基礎上，如受到干擾，轉(zhuǎn)換命令字錯誤，有可能導致MAX110停止轉(zhuǎn)換，或者進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)的自動采集過程中，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上，所以在微處理器的軟件定時器中設置一個按一定時間間隔不停增長的計數(shù)器ADRUN，在A/D轉(zhuǎn)換中斷服務程序中將ADRUN計數(shù)器值清零。若A/D正常轉(zhuǎn)換，ADRUN計數(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計數(shù)器的值將超出預先設定的范圍。在系統(tǒng)程序的主循環(huán)中每次判斷ADRUN計數(shù)器的值，若ADRUN計數(shù)器超限，說明MAX110停止轉(zhuǎn)換，隨即將MAX110重新初始化，使數(shù)據(jù)采集模塊恢復正常工作，同時在系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)庫中做出記錄以備分析。這種設計方法保證了數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)具備了一定的容錯功能。

本文論述的容錯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在自行設計的以Intel 80C196為微處理器的智能調(diào)節(jié)器中使用和測試。測試時，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)注入故障，使AD采集進程停止工作，實驗證明，在預先設定的時間內(nèi)，故障得以排除并記錄了故障情況，數(shù)據(jù)采集正常進行。但這種容錯設計方法的可靠性依賴于探測故障時所使用的定時器的可靠性，若定時器異常停止工作，系統(tǒng)將不能檢測到A/D轉(zhuǎn)換的故障。