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董志強(qiáng)(1981- )
男，河北廊坊人，碩士研究生，（華北計算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京和利時系統(tǒng)工程有限公司 北京 100083）主要研究方向是數(shù)據(jù)采集與處理。
摘要：本文設(shè)計了一種基于Σ-ΔADC的熱電阻信號采集從站模塊，比較了工業(yè)過程控制中模數(shù)轉(zhuǎn)換的三種常用方法，詳細(xì)介紹Σ-ΔADC原理和硬件電路，給出了軟件主要流程圖。本模塊利用ADS1242這款24位高精度Σ-ΔADC和80C52內(nèi)核單片機(jī)進(jìn)行多通道熱電阻信號的采集和處理，具有實用性強(qiáng)、精度高、可靠性高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：RTD；A/D；Σ-Δ；過采樣
Abstract: A RTD signal-collection slave module based on Σ-ΔADC is designed in this article. It introduces three common methods with respect to analog to digital conversion in industrial process control by comparison, describes the principle and hardware circuit of Σ-ΔADC in detail and provides the main software flow charts. The module uses the Σ-ΔADC (Part No.: ADS1242) of 24 bit high precision and 80C52 core MCU to collect and process the RTD signal in multi-channel, and is featured with high practicability, high precision and high reliability.
Key words: RTD; A/D; Σ-Δ; Oversampling
1 引言
工業(yè)過程控制中需要對現(xiàn)場模擬信號進(jìn)行采集和處理。用于工業(yè)過程控制中的基本模擬信號采集（AI）設(shè)備有三類：熱電阻（RTD）輸入設(shè)備、熱電偶（TC）輸入設(shè)備和變送器信號輸入設(shè)備。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。
對于上面這些模擬信號的采集AD轉(zhuǎn)換技術(shù)很關(guān)鍵，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，從成本和性能綜合考慮，主要應(yīng)用的AD轉(zhuǎn)換類型是：逐次逼近型，積分型，過采樣（Σ-Δ）型這三種。積分型轉(zhuǎn)換過程中帶來的誤差比較大；逐次逼近型轉(zhuǎn)換精度相對較高，但是對于高位數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，精度越高，制作成本就越高；而Σ-Δ型可以以相對逐次逼近型簡單的電路結(jié)構(gòu),而得到低成本、高位數(shù)及高精度的轉(zhuǎn)換效果。基于上面的原因使得Σ-Δ型轉(zhuǎn)換方式應(yīng)用越來越廣泛。此模塊就是使用Σ-ΔADC將RTD信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量上報到DP主站。
2 總體設(shè)計
圖1為模塊總體設(shè)計，模塊由信號變換與信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DP通訊電路、電源DC/DC轉(zhuǎn)換電路、CPU電路等組成。模塊依靠64針連接器，引入6路現(xiàn)場熱電阻信號。熱電阻信號通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓信號，再分別通過濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換送入CPU單元，CPU負(fù)責(zé)將RTD數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線(PROFIBUS-DP) 上傳至主站，從而完成RTD信號的采集工作。
圖1 總體框圖
3 A/D轉(zhuǎn)換原理
3.1 ADC方式比較
3.3.1 逐次逼近型ADC
逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式是按照二分搜索法的原理，將需要轉(zhuǎn)換的模擬信號與已知的不同參考電壓進(jìn)行多次比較，使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近模擬量對應(yīng)的值。
逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度較快，可以達(dá)到100萬次/秒，但是對于高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路需要高精度的電阻和電容匹配網(wǎng)絡(luò)，故精度不會很高。在低精度（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。
3.3.2 積分型ADC
積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在低速、高精度測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種轉(zhuǎn)換方式，單積分方式的工作原理是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成時間間隔(脈沖寬度信號)，然后對時間間隔計數(shù)，從而間接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種方法。由于其受到斜坡發(fā)生器、比較器精度及時鐘脈沖穩(wěn)定性的影響轉(zhuǎn)換精度不高。為了提高積分型轉(zhuǎn)換器在同等條件下的轉(zhuǎn)換精度，可以采用雙積分型轉(zhuǎn)換方式，其通過對輸入模擬信號的兩次積分，部分抵消了由斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的誤差，提高了轉(zhuǎn)換精度[1]。
雙積分型轉(zhuǎn)換方式優(yōu)點是成本比較低；精度相對較高；抗干擾能力強(qiáng)，由于積分電容的作用，能夠大幅抑制高頻噪聲。但是轉(zhuǎn)換速度太慢，精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低。
3.3.3 Σ-Δ型ADC
過采樣的轉(zhuǎn)換器數(shù)字電路比較復(fù)雜，因而放松了對模擬電路的相關(guān)要求[2]。Σ-Δ型ADC主要由Σ-Δ調(diào)制器、抽取濾波器兩部分組成，其中核心部分是Σ-Δ調(diào)制器。Σ-Δ調(diào)制器原理上近似于積分型ADC，是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，因采用過采樣技術(shù)，能把大部分量化噪聲分布在更寬的頻帶內(nèi)，使得分布在輸入信號范圍頻率附近的噪聲功率密度大大減小。用抽取濾波器濾掉高頻噪聲后，從數(shù)據(jù)流中提取出有用的信息而得到數(shù)字值。因而過采樣的Σ-ΔADC容易做到很高的精度。
Σ-Δ調(diào)制器原理示意圖如圖2所示，其中U1為一個積分器，U2是一個比較器（也可看作一位的ADC），U3是一個D觸發(fā)器，U3在每一個時鐘到來時會鎖存比較器U2的輸出結(jié)果，向U4（比較器，負(fù)端接參考電壓，也可看作一位的DAC）輸出“高”或“低”的數(shù)字信號，U4將這個數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為+V/-V的電壓信號，回饋給積分器U1。
假定U1的輸出為正，則U2的輸出為“高”信號到U3的D輸入端，在下一個時鐘到來時，U3通過Q將這個“高”信號送到U4的輸入端，U4接受到一個大于閾值電壓（1/2V）的信號，會輸出一個+V的電壓信號到積分器U1的輸入端，這個+V的反饋電壓信號，會使積分器U1的輸出向負(fù)電壓變化，等到積分器的輸出變?yōu)樨?fù)，則反饋電路U4會輸出一個-V的電壓信號到積分器U1的輸入端，使積分器的輸出電壓向正電壓變化，在D觸發(fā)器U3的輸出端會得到一連串的比特流輸出信號這就是Σ-Δ調(diào)制器的原理[3]。
圖2 Σ-Δ調(diào)制器原理圖
Σ-Δ調(diào)制器以采樣速率輸出1bit數(shù)據(jù)流，頻率可高達(dá)MHz量級,里面包含著大量高頻噪聲。抽取濾波器的目的是除去高頻噪聲，從數(shù)據(jù)流中提取出有用的信息，將數(shù)據(jù)速率降低到可用的水平。抽取濾波器是一種數(shù)字低通濾波器,在Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器中采用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器來實現(xiàn),可以保證信號的相位不失真,同時還可減少運算量。
Σ-ΔADC優(yōu)點是價格低；分辨率較高；轉(zhuǎn)換速率高，高于積分型ADC；內(nèi)部利用過采樣技術(shù)和抽取濾波技術(shù)，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求。
3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
本模塊采集的是溫度信號，對轉(zhuǎn)換速率的要求不高，但對精度要求較高，很適合采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)的ADC，因此本模塊選擇了Σ-ΔADC ADS1242芯片。ADS1242為一個24位的串行SPIΣ-ΔADC芯片，最少有效位為19位（PGA=128）[4]。A/D轉(zhuǎn)換器的有效分辨率大于等于16位即能滿足測量精度要求。
圖3 單通道ADS1242模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘發(fā)生器由外接的2.4576MHz的晶振電路提供，外部電壓基準(zhǔn)源與該通道恒流電路基準(zhǔn)源共用，可以使信號都基于同一個電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生與測量，信號激勵和基準(zhǔn)同時漂移時，漂移誤差相互抵消，從而消除基準(zhǔn)引起的誤差。ADS1242具有4個單端輸入通道或兩個差分輸入通道，由于要求全通道10次/秒的采集速度，因此每個通道都單獨使用一個ADS1242，單通道輸入接法采用固定輸入端接法，其他輸入通道可分別短接再接地。圖3中，通道的信號正端接ADS1242的AIN0端，信號負(fù)端接AIN1端；AIN2和AIN3分別接地。ADS1242與MCU的通訊采用4線SPI接法，其中作為通道ADS1242的片選信號，低電平有效；串行時鐘線SCLK和數(shù)據(jù)輸入DIN都具有施密特輸入特性；串行數(shù)據(jù)輸出DOUT具有三態(tài)輸出能力，當(dāng)通道未選中時，輸出高阻抗?fàn)顟B(tài)。
4 CPU軟件設(shè)計
Keil 軟件是目前最流行的開發(fā)80C51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理及一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)環(huán)境。使用Keil C開發(fā)程序具有效率高，可讀性好等優(yōu)點。
4.1 主程序說明
如圖4所示，程序首先初始化CPU、DP，等待接收參數(shù)數(shù)據(jù)PRM_DATA與配置數(shù)據(jù)CFG_DATA。然后根據(jù)配置數(shù)據(jù)的內(nèi)容分別進(jìn)行兩個分支程序的運行。
分支1：如果配置數(shù)據(jù)為生產(chǎn)檢驗時的配置數(shù)據(jù)，則進(jìn)行A/D校準(zhǔn)與系數(shù)修正。
分支2：如果配置數(shù)據(jù)為正常工作時的配置數(shù)據(jù)，則首先檢查DP的運行狀態(tài)，再開始數(shù)據(jù)采集工作，根據(jù)采集結(jié)果判斷通道是否存在斷線故障，并將通道狀況和采集結(jié)果傳送到DP主站。如此反復(fù)，形成死循環(huán)。
圖4 主程序流程圖
4.2 A/D 采集數(shù)據(jù)程序流程說明
當(dāng)主程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集子函數(shù)SAMP_data()時，依次選通1～6通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)時，先進(jìn)行通道選擇，然后等待該通道數(shù)據(jù)采集完畢，之后讀取采集結(jié)果。根據(jù)采集結(jié)果診斷是否斷線，如果短線則發(fā)送診斷信息數(shù)據(jù)處理，否則進(jìn)行采集到的結(jié)果填入發(fā)送緩沖區(qū)。最后上報相應(yīng)通道的采集數(shù)據(jù)。軟件流程如圖5所示。
圖5 A/D轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)程序流程
5 總結(jié)
本文比較了工業(yè)控制過程中常用的三種模數(shù)轉(zhuǎn)換類型，詳細(xì)介紹了過采樣技術(shù)的原理及AD轉(zhuǎn)換電路，給出了模塊軟件設(shè)計方法。經(jīng)試驗證明此模塊工作穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)精確，實時性好，已應(yīng)用于實際的工業(yè)過程控制現(xiàn)場。
參考文獻(xiàn)：
[1]王常力，羅安．分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例[M]．北京： 電子工業(yè)出版社，2004.
[2]David Johns, Ken Martin．Analog Integrated Circuit Design．John Wiley & Sons (Asia) Pte. Ltd，1996.
[3]Tony R. Kuphaldt．Lessons In Electric Circuits, Volume IV – Digital．http://www.allaboutcircuits.com/pdf/DIGI.pdf， 2007.
[4]Texas Instrunmnts．24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER[EB/OL]． http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1242.pdf，2007.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號