高精度数控直流电流源

１引言“高精度数控直流电流源”是２００５年全国大学生电子设计大赛的题目。

由于题目的要求指标比较高，用普通的模拟直流电流源无法满足，我们构造了以单片机８９ｃ５１为中心控制器的直流电流源系统。

因此在要求输出范围不变的前提下，将其他指标提高了近十倍。

２电源系统框架本文在文献［１￣３］的基础上构造电源系统框架；该系统由单片机数据处理模块、Ａ／Ｄ数据输入模块、Ｄ／Ａ输出模块、恒流源模块及键盘和显示模块（ＬＣＤ）等几部分组成，如图１所示。

其中单片机最小系统实现了主要的数控功能，是本控制电路的核心，由它来控制输出电流值，并控制步进调节。

控制电路的采样信号和控制信号传输通道分别用ＡＤＣ７１３５和ＡＤ７５４１Ａ来实现。

３硬件电路３．１单片机的最小系统本系统使用的最小系统板是以８９ｃ５１单片机［４］为内核，并且具有良好的扩展性。

ＣＰＵ接有１１．０５９２ＭＨＺ的晶振，ｘ５０４５看门狗电路［４］，７４ｌｓ３７３锁存电路、７４ｌｓ１３８译码电路以及按键、显示器件、ＡＤＣ７１３５电路板插槽并用８２５５［５］外扩了Ｉ／Ｏ接口［６］。

如图２所示。

本系统中通过８２５５外扩了ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ共２４个Ｉ／Ｏ口，以便作为系统的输入输出通道。

用７４ｌｓ１３８的输出作为各个芯片的译码选择端，除最小系统中使用的Ｙ２外，其余可供其它扩展使用。

３．２电流源电路本系统的电流源电路是一闭环控制电路［７］，根据采样信号与设定值的偏差放大处理实现自校正，从而使输出电流更稳定，可控性更高，如图３所示。

３．３ＡＤＣＩＣＬ７１３５信号采集电路ＩＣＬ７１３５具有低噪音、无需外部其他器件、长期高精度数控直流电流源王永德，赵宏才，马石岩，张召友，刘士军（青岛理工大学自动化工程学院，山东青岛２６６０３３）摘要：以单片机８９ｃ５１为中心控制器构成的直流电流源，控制电路的采样信号和控制信号传输通道分别用ＡＤＣ７１３５和ＡＤ７５４１Ａ来实现。

使得控制精度达到了步进１ｍＡ，量程２０ｍＡ￣２０００ｍＡ，纹波电流≤０．２ｍＡ，远远的超过题目要求。

关键词：电流源；单片机；ＩＣＬ７１３５、ＡＤ７５４１芯片中图分类号：ＴＮ４文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２００７）０２－０１２０－０４ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＤＣＣｕｒｒｅｎｔＳｏｕｒｃｅＷＡＮＧＹｏｎｇ－ｄｅ，ＺＨＡＯＨｏｎｇ－ｃａｉ，ＭＡＳｈｉ－ｙａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈａｏ－ｙｏｕ，ＬＩＵＳｈｉ－ｊｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅＤＣｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈｍａｉｎｃｏｎｔｏｌｌｅｒｔｈａｔｉｓｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ８９ｃ５１．Ｔｈｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｓａｍｐｌｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓｉｓｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓ．ＴｈｅＡＤＣ７１３５ｉｓｕｓｅｄｔｏｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＡＤ７５４１Ａｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｄｅｘｅｓａｒｒｉｖｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｓｔｅｐ１ｍＡ，ｍｅａｓｕｒｅｒａｎｇｅｏｆ２０ｍＡ～２０００ｍＡ，ｖｅｉｎｗａｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｗｉｔｈｉｎ０．２ｍＡ．Ｔｈｅｓｅｉｎｄｅｘｅｓｈａｖｅｌａｒｇｅｌｌｙｅｘｃｅｅｄｅｄｄｅｍａｎｄｉｎｄｅｘ－ｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒ；Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ；ＩＣＬ７１３５ｃｈｉｐａｎｄＡＤ７５４１ｃｈｉｐ收稿日期：２００６－０３－１７运行低漂移、双极性输入、具有较强的抗共模干扰能力。

特别适合小信号、高精度、低噪声放大器。

本电路由一个小型集成电路来实现，４０５１的９、１０管脚接地，用８９Ｃ５１的Ｐ１．０接１１管脚来选通Ｘ０或Ｘ１采样电压或电流信号，采样后的信号经过Ｐ０７送到ＩＣＬ７１３５进行处理（在这里选用精度稍高的ＯＰ０７），将处理后信号直接送到单片机最小系统。

ＩＣＬ７１３５量程为０￣２Ｖ，基准电压ＶＲＥＦ由ＭＣ１４０３输出（２．５Ｖ）分压获得１Ｖ电压。

它的ＢＣＤ码位选通输出端Ｄ１￣Ｄ４接在ＨＣ２４０上用于位选，因为万位只能是０或１，所以Ｄ５同时用于位选和数据位的选择，这也是本电路设计的一个亮点。

ＨＣ２４０是八位缓冲线／线驱动器，内含八个具有三态输出反相缓冲器。

三态输出的反相缓冲器，输出允许控制端（ＥＮＡ、ＥＮＢ），每一个ＥＮ控制四个缓冲器，１Ａ、８Ａ数据输入，１Ｙ、８Ｙ输出。

输出分别送出个、十、百、千、万位。

ＩＣＬ７１３５的数据位Ｂ１－Ｂ４接在ＨＣ１５７上，ＨＣ１５７是四路二选一开关，１为选择输入端，当它为低电平时，选择Ａ输出；高电平时，选择Ｂ输出。

从ＨＣ２４０输出的位选信号通过８２５５的ＰＡ０－ＰＡ４送往ＣＰＵ，ＣＰＵ读取各个位的状态并判断，从而ＨＣ１５７的输出端读取每一位所对应的ＢＣＤ码数据，送往ＬＣＤ显示。

如图４所示。

由于篇幅原因显示部分略写。

为实现负载端电压的ＬＣＤ显示，利用８路开关在信号放大输入端设置了双通道Ｘ０、Ｘ１。

分别为采样电压和采样电流输入通道，如图５所示。

３．４ＡＤ７５４１Ａ信号输出ＡＤ７５４１Ａ是采用ＣＭＯＳ工艺制成的单片直流输出型１２位数／模转换器。

其具有非线性误差小，同频带宽，共模抑制比大等优点。

且其范围为１～４０９６，步距为１，本设计中要求控制达到２０００多个状态的电流值，因此可完全满足设计要求。

本设计要求较高精度的电压控制信号，位数达到１２位，而单片机数据口只有８位，如果用单缓冲方式，也可实现，但输出值中毛刺较多，影响控制。

为此，采用了输入双缓冲方式，由三片７４ｌｓ３７３来实现：先由Ｄ０～Ｄ３送出低四位，通过第一片３７３锁存，后又通过Ｄ０～Ｄ７送出高８位，并与低四位一起输入Ｄ／Ａ达到同步的目的。

实践证明这种方式可更好的保证精度。

由于ＡＤ７５４１Ａ本身是输出电流型的，而我们的设计要求是使Ｄ／Ａ输出控制电压，并且要求此电压值精确、稳定，于是在ＡＤ７５４１Ａ的Ｉｏ１、Ｉｏ２输出端接了一个运算放大器ＯＰ０７，将电流信号转换成稳定的负电压信号，但为了控制的方便，又加了一个ＯＰ０７使负电压反相，得到稳定的正电压。

本设计要求ＡＤ７５４１Ａ输出在０￣２．５Ｖ之间，调试时可以结合程序调节电位器即可给出这个电压，原理如图６所示。

４结束语本系统在硬件上，使用了ＩＣＬ７１３５、ＡＤ７５４１等高精度芯片，为电流源的高精度输出作好了铺垫，使得控制精度达到了步进１ｍＡ，量程２０ｍＡ￣２０００ｍＡ（要求２００ｍＡ￣２０００ｍＡ）。

ｘ５０４５的使用也为调试提供了很大方便。

由于硬件上匹配合理使得软件的设计难度大大降低。

参考文献：［１］刘松致．新型数字直流电流源设计［Ｊ］．杭州电子工业学院学报，２００４（３）：１９￣２２［２］李银祥，安继明，姚向东．数控电流源［Ｊ］．现代科学与仪器，２００１（６）：５２￣５３［３］郑鲲鲲，胡二虎，汪东旭．一种减小工艺参数影响的ＣＭＯＳ集成电流源设计方法与电路实现［Ｊ］．微电子学与计算机，２００３（５）：４９￣５０［４］潘永雄．新编单片机原理与应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００３，１６１￣１７８［５］郑学坚．微型计算机原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出④设置有关参数和人员进出权限的管理。

５系统运行情况本系统在河南某工厂从２００５年４月运行至今正常运行。

该厂需要对人员进行严格的出入控制，共有１０个通道。

每个门要检查进出，每天进出约有１５０～１８０人次。

系统运行取得较满意的效果，得到了用户认可，大大增强系统的安全性。

６结束语本文设计的门禁系统利用指纹识别和面像识别的优点，通过综合评判策略获得准确的验证结果。

采用ＴＣＰ／ＩＰ技术实现了嵌入式门禁器与验证计算机之间的快速通讯，对于验证未通过情况通过人工判断和远程开门加以补救，保证了出入通道的安全性，使得生物识别技术走向实用化，大大提高了系统的安全性，适用于安全级别要求高的部门。

参考文献：［１］白雪冰，党宏泽，张佳薇，等．ＩＣ卡门禁考勤系统［Ｊ］．信息技术，２００２，１：２１￣２３［２］张海林，葛思擘．分布式控制系统中的串行通信设计［Ｊ］．微电子学与计算机，２００３，２０（６）：１２２￣１２５［３］陈华，张小刚，童调生．一种基于指纹识别的ＩＣ卡门禁系统［Ｊ］．计算机工程，２００２，２８（７）：２０２￣２０４［４］吕知辛，黄遵令．指纹识别方法及其应用［Ｊ］．计算机系统应用，２００４，１：３１￣３５［５］韩争胜，李映，张艳宁．基于ＬＤＡ算法的人脸识别方法的比较研究［Ｊ］．微电子学与计算机，２００５，２２（７）：１３１￣１３４作者简介：童晓阳男，（１９７０－），副教授。

研究方向为智能监控、智能Ａｇｅｎｔ、信息技术。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第１１９页）版社，１９９８，１９７￣２２２［６］刘轶，韦宏利，伍卫国．用于手持设备的嵌入式计算机系统设计［Ｊ］．微电子学与计算机，２００４，２１（１０）：４４￣４６［７］赵学泉．电源电路［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９５，１４６￣１５０作者简介：王永德男，（１９５８－），副教授。

研究方向为电网络与系统优化、控制理论与控制工程。