通用数据采集接口装置

第20卷　第3期2000年7月

西安公路交通大学学报Jou rnal of X i ′an H ighw ay U n iversity

V o l 120　N o 13

Ju ly 2000

收稿日期:1999212225

基金项目:煤炭科学基金资助项目(96电10408)

作者简介:杨世兴(19472),男,山西昔阳人,西安科技学院副教授

文章编号:100724112(2000)0320104203

通用数据采集接口装置

杨世兴

(西安科技学院自动化系,陕西西安　710054)

摘　要:针对目前典型数据采集装置输入端子对不同类型、不同范围的输入信号不能通用的状况,研究了一种通用数据采集接口装置。采用开关网络将采集信号作归一化处理,实现了对各类采集信号的通用;采用可编程A D 芯片,实现了对各类信号范围的通用。每8路设计为一个单元,设有站号,可根据需要灵活扩展。经调试实验,可对传感器输出的不同类型、不同范围的电信号进行采集,具有较强的工程实用价值。

关键词:通用;数据采集;接口装置

中图分类号:T P 27412 文献标识码:A

Genera l -purpose Da ta Acqu isition I n terface I n stru m en t

YA N G S h i 2x ing

(D epartm en t of A u tom ati on ,X i ′an U n iversity of Science and T echno logy ,X i ′an 710054,Ch ina )

Abstract :Since cu rren t typ ical data acqu isiti on in strum en ts are no t adap ted to differen t typ e o r differen t range inp u t signal ,a k ind of general 2p u rpo se data acqu isiti on in terface in strum en t w as develop ed .To be adap ted to all k inds of signals ,the in strum en t adop ts s w itch netw o rk to m ake un itary p rocess .M o reover ,to be adap ted to all range of signals ,p rogramm ab le A D ch i p is adop ted .Every eigh t rou tes is designed as one un it w ith co rresponding address .U sers can exp and the un it acco rding to need .Exp eri m en ts show that the in strum en t ,w h ich can gather electric sig 2nals of differen t typ e and differen t range th rough sen so rs ,has better p ractical value in engineer 2ing .

Key words :general 2p u rpo se ;data acqu isiti on ;in terface in strum en t

目前,典型数据采集系统输入端子的性质,在系

统设计完成以后就确定了,很难进行重新定义。如某一端子设计为模拟量输入,就只能接受某一范围的某一种模拟量;某一端子设计为开关量输入,就只能接受开关量[1,2]。针对这种情况,我们研究了一种通用数据采集接口装置。选用89C 52单片机作为微控制器,串行EEPROM 作为数据存贮器,通过M A X 232E 可与上位机进行串行通信。采用开关网络将采集信号作归一化处理,从而实现了对各类采

集信号的“通用”;选用可编程A D 芯片[3]

,实现了对输入信号范围的“通用”,使接口装置使用灵活、方便。每8路设计为一个单元,设有站号,可根据需要

灵活扩展。软件采用模块化结构,层次分明,便于调试。经实验调试,可实现对电压型、电流型、电阻型、频率型、开关型等各种信号的采集,达到了预期目的,具有较强的工程实用价值。

1　硬件设计

通用数据采集接口装置的结构见图1(见下页)。

111　主控芯片

采用A T 系列89C 52芯片作为主控芯片,选用单一电源供电的R S 2232芯片M A X 232E ,通过M A X 232E 接口芯片与上位管理机进行串行通信,

图1　通用数据采集接口装置的结构

波特率可达9600b it s。为保证断电时不丢失数据,用2K字节串行EEPROM作为数据存储器,存放配置参数,用片内flash ROM作为程序存储器。

随着I2C总线应用的日益广泛,兼容I2C总线的接口芯片及存储器品种也越来越多,

其中A T2 M EL公司生产的A T24CO X系列串行EEPROM 以体积小、价格低、工作范围宽、可擦写次数多和数据保存时间长等显著特点引起了人们的兴趣。在应用系统设计中,采用A T24CO X系列串行EEP2 ROM可以收到降低成本、简化电路的效果。这里选用的是A TM EL公司的24C16。

A T24C16与A T89C52单片机接口非常简单,只需占用2根双向I O线,即可对EEPROM芯片读写。其SDA端应接一个上拉电阻至V cc端。

112　输入网络

输入网络完成将各类传感器信号引入并选通其中某一路的功能。主要由模拟开关,接插件等组成。多路模拟开关选用AD7501,在使能端EN=1的情况下,通过控制端A2A1A0状态转换,实现8选1操作。这里采用公共的A D转换电路在CPU的指挥下,轮流切换各被测回路与A D转换电路间的通路,以达到分时采集的目的。

113　切换网络

切换网络实现对输入信号作归一化处理。将电流、电阻、脉冲、开关信号转换成电压信号,送入A D转换器;而将频率信号切换到计数器上。切换网络主要由模拟开关、运放等组成,其原理如图2所示。

模拟开关选用AD公司的AD G202单片C M O S芯片,每片上有4个独立的单刀单掷(SPST)开关,它可以接受-15～+15V之间的电压,开关速度高,导通电阻小。各类信号进入切换网络后,根据各开关的通断组合即可完成对信号的归类处理。开关组合状态见表1。

运放选用PM公司的精密、超低失调电压、低噪声、低漂移的O P277。

图2　切换网络原理图

表1　模拟开关组合表

信号类型S1S2S3S4S5S6S7电压1000000

开关1000000

电阻1011000

频率0010100

电流1100011

注:“1”—接通;“0”—断开。

114　A D转换

这里需要考虑A D的转换时间,还要考虑时序问题。A D开始转换信号必须滞后于多路开关路选信号25Λs,再加上A D转换时间6Λs(假设),最高采样频率为30～32kH z。这就是说,A D转换时间6Λs,基本能满足采样频率的要求。如果选用更快速的芯片,既没有充分利用它的快速性,又增加了成本。这里选用12位A D芯片M A X197,转换时间6Λs左右。M A X197是软件可编程的,这为应用提供了便利条件,如输入范围(±10V,±5V,0～10V, 0～5V)改变了,不必更改电路,也不必更换芯片只需改写它的控制字即可。

2　误差计算

误差来自模拟开关和A D芯片。

211　模拟开关AD7501的误差

(1)漏电流误差。多路开关在不接通时会产生漏电流I s,总漏电流流过信号源内阻(传感器等效输出电阻)R s及多路开关导通电阻R on产生的漏电流误差∃U1为

∃U1=(N-1)(R s+R on)I s=(8-1)×(500+170)×012×10-9=9138×10-7V

这个误差电压很小,可以忽略不计。

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