基于PIC單片機(jī)的高精度信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工業(yè)現(xiàn)場測試過程中，由于生產(chǎn)中的各種參數(shù)的測試數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程具有重要的意義，因此對各種測試數(shù)據(jù)精度要求較高。而對于傳統(tǒng)的傳感器，比如壓阻式、應(yīng)變橋式、熱電偶、熱電阻、電容式以及壓電式傳感器，輸出的一般是毫伏級的微弱模擬信號，溫度特性差，而且在傳輸過程中信噪比明顯降低。因此需要設(shè)計(jì)高精度穩(wěn)定性強(qiáng)的信號采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。然而采用以往的積分型和逐次比較型A／D實(shí)現(xiàn)高精度信號采集的難度較大且成本很高。近年來興起的∑-△A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)卻能以較低的成本獲取極高的分辨率。AD7705便是一款比較典型的高性能16位∑-△A／D轉(zhuǎn)換芯片。
本設(shè)計(jì)采用AD7705為A／D轉(zhuǎn)換器，配合8位高性能PIC單片機(jī)PIC18F458組成高精度信號采集系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)方面在單片機(jī)與AD7705典型應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，加入了光電隔離、電壓檢測復(fù)位等電路，使系統(tǒng)采集信號的精準(zhǔn)度和可靠性都有了很大的提高，軟件設(shè)計(jì)方面給出了關(guān)鍵部分的程序清單。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某智能儀表中，在工業(yè)現(xiàn)場的表現(xiàn)良好。

1 關(guān)鍵器件選型
1．1 AD770S概述
AD7705芯片是帶有自校正功能的∑-△16位A／D轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器以及可編程數(shù)字濾波器等，能直接將傳感器的不同擺幅范圍內(nèi)的信號放大到接近A／D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓附近再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。此外它還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、校準(zhǔn)、低功耗及優(yōu)良的抗噪聲性能，因此非常適用于儀表測量和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

1．2 PIC18F458的特點(diǎn)
作為中高端的8位PIC系列單片機(jī)，PIC18F458是高性能的RISC CPU。具有高達(dá)2 MB的程序存儲(chǔ)器：4 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；高達(dá)10MIPS的執(zhí)行速度；DC～40 MHz時(shí)鐘輸入；4～10MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振／時(shí)鐘輸入；16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道；帶優(yōu)先級的中斷；8x8單周期硬件乘法器。該款單片機(jī)不僅集成了強(qiáng)大的外圍功能模塊(增強(qiáng)型捕捉輸入功能、脈寬調(diào)制(PWM)輸出部件、I2C和SPI接口以及可尋址的通用同步／異步接收發(fā)送器(USART)串行通信接口)，而且因其特殊的單片機(jī)特性(自振式看門狗、可編程代碼保護(hù)功能、休眠省電方式等)及先進(jìn)的fl-ash技術(shù)(低功耗、高增強(qiáng)型flash技術(shù)，全靜態(tài)設(shè)計(jì)，2．0～5．5 V寬范圍的工作電壓，工業(yè)級和擴(kuò)展級溫度范圍)，可以適用各種工業(yè)控制場合。
本系統(tǒng)使用PIC18F458作為主控制芯片，選取此芯片與AD7705配合組建信號采樣系統(tǒng)，不僅是因?yàn)镻IC18F458自身配備的主同步串行端口MSSP具有SPI工作方式，而且更重要的是該單片機(jī)的高性能能夠?qū)Σ杉降男盘栠M(jìn)行更加有效的處理，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于采集氧電勢和溫度的模擬信號，二者分別是氧傳感器和K型熱電偶的輸出信號。其中氧電勢信號的輸出范圍是0～1．25 V，溫度信號的輸出范圍是0～50 mV，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2．1．1 AD7705及前端采集電路
圖3為AD7705的外圍電路及系統(tǒng)的前端采集電路。氧電勢和溫度信號首先要進(jìn)入濾波電路去除干擾雜波然后進(jìn)行精密放大，這里采用低功耗雙運(yùn)算放大器MCP602和反饋電阻組成放大電路，MCP602具有偏置電流低、運(yùn)行速度快、開環(huán)增益高以及滿幅輸出等特點(diǎn)，而且其很寬的帶寬非常適用于A／D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)放大器。由于提供給AD7705的基準(zhǔn)電壓是2．5 V，調(diào)節(jié)反饋電阻使氧電勢和溫度放大后的信號V_01和V_02都在0～2．5 V之間。