惡劣環(huán)境下的高性價比數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　隨著單片機在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，對其可靠性的要求也越來越高，而其中系統(tǒng)的抗干擾性能就是衡量其可靠性的重要指標(biāo).

　　眾所周知，工業(yè)環(huán)境比較惡劣，時常有強烈的電磁干擾，影響CPU的工作，導(dǎo)致程序不能按正常順序執(zhí)行，從而造成混亂、失誤或死機.因此必須采取一定的抗干擾措施，否則系統(tǒng)就難以穩(wěn)定、可靠地運行.

　　工業(yè)環(huán)境中的干擾一般以脈沖形式進入微機系統(tǒng)，渠道主要有3條，即空間干擾、過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾.空間干擾是電磁信號通過空間輻射進入系統(tǒng)的;過程通道干擾是通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其它系統(tǒng)的互連通道進入的;供電系統(tǒng)干擾則是電磁信號通過供電線路進入系統(tǒng)的.一般情況下空間干擾的強度很小，供電系統(tǒng)干擾則可以通過采用抗干擾電源來解決，因此微機系統(tǒng)中的難點是防止過程通道干擾.

　　抗干擾措施有硬件措施和軟件措施.硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會有少數(shù)干擾進入微機系統(tǒng)，故軟件措施作為第二道防線必不可少.軟件正常工作的前提首先是CPU必須正常，雖然CPU不能正常工作時還可以通過watchdog看門狗來復(fù)位，但是看門狗頻繁動作將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作;此外軟件抗干擾措施是以占用CPU為代價的，如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，因此構(gòu)建一個成功的抗干擾系統(tǒng)首先必須做好硬件的抗干擾措施，同時注意與軟件相結(jié)合.

　　1 方案的選擇和比較

　　本實驗的主要目的就是針對現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣、各種干擾因素較多的情況，研究一種既能夠有效防止工業(yè)環(huán)境中的過程通道干擾，又能穩(wěn)定而準(zhǔn)確高速地采集信號、進行A/D轉(zhuǎn)換，并且性價比又較高的系統(tǒng).由于被測信號一般是由電力電子裝置產(chǎn)生的，這些裝置在工作時往往會產(chǎn)生很多的高次諧波，此外在測量線路上有時也存在很多大容量的沖擊負(fù)載.由這些渠道產(chǎn)生的干擾，都將通過輸入輸出通道竄入到系統(tǒng)內(nèi)部干擾系統(tǒng)的正常工作.而當(dāng)外部工作環(huán)境比較惡劣時，這些干擾將尤為劇烈，容易導(dǎo)致CPU出現(xiàn)死機，程序跑飛的情況.因此，要切斷這條渠道，使干擾無法通過A/D通道竄進，就要去掉對象與輸入輸出通道之間的電路聯(lián)系，實現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈沖.常見的隔離方式有兩種，

　　第1種是對模擬量進行隔離，常采用在A/D轉(zhuǎn)換前加隔離放大器.但是這種方式的每一路成本很高，如果采集通道有很多路，每一路都需要隔離放大器，這樣累計的成本就會更高，而且隔離放大器存在著線性不好，有相對誤差的問題;如果采用線性光隔的方式除了存在上述的誤差之外，還存在零點漂移和精度不高的問題.

　　第2種是在A/D轉(zhuǎn)換后對數(shù)字量進行隔離，在輸入輸出通道上采用光電隔離器來進行信息傳輸，從而將微機系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機構(gòu)從電器上隔離開來，阻擋很大一部分干擾.這種隔離又有2種方案，其一是采用并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片.如果采用這種方式還要額外附加很多外圍器件，如多路開關(guān)、鎖存器等，而且由于數(shù)據(jù)是并行傳輸?shù)乃酝瑯有枰芏嗟墓怆姼綦x器件，造成器件多、系統(tǒng)體積大、可靠性降低，費用高等問題.其二是在電路中采用一種串行輸出、集成度高、分辨率滿足要求、價格又相對比較便宜的A/D轉(zhuǎn)換芯片.這樣就不僅可以保證系統(tǒng)安全可靠地工作，更會大大降低工程所需成本.因此，從這個角度來考慮，在本系統(tǒng)的構(gòu)建中主要選用TLC2543串行輸出的芯片來完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，選用高速6N137來完成數(shù)字量的光電隔離，此外由于TLC2543自帶11個模擬輸入通道，故在電路中還節(jié)省了多路開關(guān).

　　2 主要器件介紹及硬件設(shè)計

　　A/D模塊采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換.由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省5l系列單片機I/O資源，且價格適中.其特點如下所述：

　　A/D轉(zhuǎn)換器有12位分辨率;

　　在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時間為10us;

　　有11個模擬輸入通道;

　　采用3路內(nèi)置自測試方式;

　　采樣率為66 kbps;

　　線性誤差+1LSB(最大);

　　有轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出;

　　具有單、雙極性輸出;

　　有可編程的MSB或LSB前導(dǎo);

　　輸出數(shù)據(jù)長度可以編程設(shè)定為8位、12位或16位.

　　其芯片引腳排列如圖1.圖中AIN0～AIN10為模擬輸入端;/CS為片選端;Data input為串行數(shù)據(jù)輸入端;Data out為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端;EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端;I/O clock為I/O時鐘;REF+為正基準(zhǔn)電壓端;REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端;VCC為電源;GND為地.其具體硬件電路設(shè)計如圖2所示.

　　其中，單片機80C51是整個系統(tǒng)的核心，TLC2543芯片對輸入的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機通過P1.1引腳接收，A/D芯片的通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過P1.3引腳由單片機寫入TLC2543芯片，高速6N137芯片只需75 ns的延遲時間，用來對輸入輸出數(shù)據(jù)進行光電隔離，74LS32芯片完成功率驅(qū)動的功能.

　　3 軟件流程

　　這一系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示.

　　TLC2543串行A/D轉(zhuǎn)換器采用的是SPI接口，SPI(serial peripheral interface)即串行外圍接口，是由motorola制定的一種串行接口規(guī)范，它可以在一個微控制器與一個或多個微控制器之間或硬件邏輯外圍電路之間實現(xiàn)同步通訊.它無須了解設(shè)備使用的協(xié)議、封裝形式和模式/控制位，而只須給出收發(fā)數(shù)據(jù)線、同步時鐘線和片選線即可方便地在兩個或多個設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，至于上層協(xié)議則留給用戶和其軟件來設(shè)置.因此，使用這個接口可以很便利地實現(xiàn)外部設(shè)備間的同步通訊.但是80C51微控制器一族并沒有提供SPI外圍接口，因此，為了實現(xiàn)與TLC2543A/D轉(zhuǎn)換器的SPI數(shù)據(jù)通訊，采用軟件來同步SPI操作.此外對于輸入信號上存在的干擾，也可以通過數(shù)字濾波的方式由軟件來消除.

　　4 部分實驗數(shù)據(jù)及成本估算

　　測試單通道數(shù)據(jù)時，滿量程電壓取為5 V，通過調(diào)節(jié)變換與通道直接相連的電位器的電壓，測得的數(shù)據(jù)如表1所示.

　　從表中的對比可以看出，測得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率是非常高的.此外采用本方案，串行采集11個通道的模擬量的成本合計也只需70元左右.而如果采用前文提到過的其它方案，則每采集一個通道的模擬量就需90多元，因而本方案既保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又大大地節(jié)省了工程的成本，有很好的應(yīng)用前景.

　　5 結(jié)束語

　　文中由串行A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件均經(jīng)過了運行調(diào)試，證明其確實能夠有效地防止工業(yè)環(huán)境中的過程通道干擾，可靠性高、運行穩(wěn)定，而且成本很低，具有很大的實用性和參考價值，并且已經(jīng)被制作成采集器應(yīng)用到鐵路信號電源監(jiān)測系統(tǒng)中.