AVR單片機(jī)在多回路數(shù)據(jù)采集器中的應(yīng)用

4 系統(tǒng)AD采集處理的實(shí)現(xiàn)

4.1 A/D轉(zhuǎn)換器的硬件接口連接

以ATmega128單片機(jī)為核心的多回路數(shù)據(jù)采集器的A/D轉(zhuǎn)換器的硬件接口電路框圖如圖1所示。ATmega128單片機(jī)的內(nèi)部資源非常豐富，有128KB的閃速存儲(chǔ)器可以編程，4K字節(jié)的SRAM和4K字節(jié)的EEPROM來存儲(chǔ)變量，一般情況下，不需要擴(kuò)展外部的ROM和RAM。

系統(tǒng)的硬件制板主要分為一塊CPU主控板和八塊I/O接口板。CPU主控板主要包括八路電流信號(hào)的采集模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、電源模塊、通訊接口模塊及JTAG接口模塊等。將八路開關(guān)量的輸入和輸出單元分別制成八塊I/O接口板，每塊I/O接口板包括兩個(gè)有源開關(guān)量信號(hào)和兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)輸出信號(hào)。I/O接口板采用與CPU主控板可脫卸方式連接，主要優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)際使用時(shí)可靈活選配，方便實(shí)用，節(jié)省了硬件成本，且儀器出故障時(shí)便于維修更換。

由于電力系統(tǒng)中要測(cè)量的常常是大電流，被測(cè)的電流需經(jīng)過一級(jí)變壓器后才能接入CPU主板，成為主板中電流互感器的模擬輸入信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過CD4051多路開關(guān)，并由LF124四運(yùn)算放大器將模擬電流小信號(hào)放大。每路的最大輸入電流允許為6A。放大后的模擬信號(hào)利用微處理器提供的內(nèi)部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將10位轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH和ADCL中。在連續(xù)采樣模式下，ADC連續(xù)取樣，并不斷更新ADC數(shù)據(jù)寄存器。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于八路模擬信號(hào)共用同一個(gè)放大電路，既可解決一致性問題，又可節(jié)約硬件成本。同時(shí)八路模擬輸入信號(hào)全部用模擬多路開關(guān)進(jìn)行隔離，避免信號(hào)之間的相互干擾。為了確保采集的速度，需ATmega128微處理器對(duì)八路模擬信號(hào)進(jìn)行連續(xù)高速巡回檢測(cè)，并在模擬多路開關(guān)切換時(shí)進(jìn)行軟件消抖。由于系統(tǒng)被測(cè)交流電流變化緩慢，在組成對(duì)模擬信號(hào)的自動(dòng)巡回檢測(cè)模塊時(shí)，沒有加入采樣/保持器電路。對(duì)八路模擬信號(hào)還采用數(shù)字濾波和分段線性補(bǔ)償?shù)溶浖夹g(shù)，增強(qiáng)抗干擾性，使信號(hào)采樣保持在最佳線性狀態(tài)，以保證測(cè)量的精確度。

所有輸入、輸出開關(guān)量信號(hào)都采用光電隔離器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的隔離，提高系統(tǒng)的

抗干擾能力。I/O接口板中報(bào)警和狀態(tài)信號(hào)燈工作時(shí)電源供電都為DC24V，LED顯示對(duì)報(bào)警和狀態(tài)信號(hào)有無(wú)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)報(bào)告。I/O接口板提供的2個(gè)繼電器觸點(diǎn)輸出信號(hào)，有信號(hào)輸出時(shí)，繼電器觸點(diǎn)將閉合。其中繼電器采用OMRON G6B-114AP，體積小，觸點(diǎn)允許接通的最大信號(hào)為：5A，250V（交流）或 5A ，30V（直流）。

一般微處理器本身不具備串行通信接口功能，因此，可以通過外接串行接口電路加以擴(kuò)展。在采集器的通訊接口電路設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的通訊接口電路部分需要配備有RS485接口，接口芯片采用Sipex的工業(yè)級(jí)帶高靜電保護(hù)的芯片SP485EEN，使通信更可靠。該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程操作能力，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸入/輸出。

4.2 數(shù)據(jù)采集和AD處理的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集是該多回路數(shù)據(jù)采集器軟件編程部分的主要模塊，在循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序的同時(shí)，還間隔地調(diào)用了時(shí)鐘定時(shí)中斷子程序，數(shù)字濾波子程序和分段線性補(bǔ)償子程序等。系統(tǒng)上電執(zhí)行初始化程序，復(fù)位個(gè)端口。通過操作按鍵確定了采集系統(tǒng)時(shí)間段的初始時(shí)間之后，系統(tǒng)開始對(duì)0~7通道間隔1s時(shí)間采集一次電流值，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數(shù)值。再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待PC機(jī)的讀取。

數(shù)據(jù)采集處理的實(shí)現(xiàn)采用AVR單片機(jī)C編輯器——ICCAVR編程，以下是系統(tǒng)查詢讀AD子程序和AD處理的部分程序。

1．查詢讀AD子程序

#define ADC_VREF_TYPE 0x00 // Read the AD conversion result

unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)

{ ADMUX=adc_input|ADC_VREF_TYPE; // Start the AD conversion

ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA 0x10)==0);

ADCSRA|=0x10;

return ADCW; }

2．AD處理程序

while (ad_end) // ad_end是位標(biāo)志，=1表明AD轉(zhuǎn)換完畢

{ if (temp>2) //采集3組AD值

{ PORTG |=0x08; // PORTG.3=1 ; 關(guān)閉多路開關(guān)

ad_ii=ad_i;

ad_ii++;

if(ad_ii>7)ad_ii=0;

PORTF =0xF1;

PORTF |=adtondao[ad_ii]; //切換AD通道

PORTG =0XF7; /*PORTG.3=0; 打開多路開關(guān)*/

data_cl(); //本組（第三組）AD計(jì)算子程序 ad_end=0;

data[2]=adresult.adzhi;

data_cl2(); //3組AD數(shù)字濾波程序

temp=0;

ad_i=ad_ii; }

else

{ data_cl(); //計(jì)算一組AD值

ad_end=0;

data[temp-1]=adresult.adzhi; //存AD值 } }

5 結(jié)束語(yǔ)

ATmega128微處理器本身帶有多路10位精度的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，在該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中可以顯著地降低成本。由于ATmega128的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比較高，可以采取一些數(shù)字濾波算法來得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。利用C語(yǔ)言編程，使該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，AD采集處理編程也容易，大大縮短了開發(fā)周期。采集器樣機(jī)經(jīng)廠家與標(biāo)準(zhǔn)0.2級(jí)電流表對(duì)照試驗(yàn)，多路電流測(cè)量都已超過0.5級(jí)表的標(biāo)準(zhǔn)；由于它直接對(duì)交流信號(hào)波形進(jìn)行采樣運(yùn)算，因此其精度、響應(yīng)速度比采用直流采樣方法的高，而且系統(tǒng)更新、維護(hù)方便，為今后開發(fā)系列化產(chǎn)品打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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