智能變送器的設(shè)計(jì)與研究

1、. . . . 37/47目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293939039第一章概述 PAGEREF _Toc293939039 h 2HYPERLINK l _Toc2939390401.1智能變送器的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc293939040 h 3HYPERLINK l _Toc2939390411.2應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc293939041 h 5HYPERLINK l _Toc293939042第二章硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293939042 h 7HYPERLINK l _Toc2939390432.1A主機(jī)電

2、路中單片機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc293939043 h 8HYPERLINK l _Toc2939390442.2模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc293939044 h 9HYPERLINK l _Toc2939390452.3模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc293939045 h 10HYPERLINK l _Toc2939390462.4數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc293939046 h 15HYPERLINK l _Toc2939390472.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc293939047 h 15HYPERLINK l _Toc293

3、9390482.6 V/I變換電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293939048 h 17HYPERLINK l _Toc2939390492.7光電耦合器選擇與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293939049 h 18HYPERLINK l _Toc2939390502.8通信接口 PAGEREF _Toc293939050 h 19HYPERLINK l _Toc2939390512.8.1 RS485協(xié)議簡(jiǎn)介與MAX485芯片介紹 PAGEREF _Toc293939051 h 19HYPERLINK l _Toc2939390522.8.2 提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的措施: PAG

4、EREF _Toc293939052 h 20HYPERLINK l _Toc2939390532.9監(jiān)視定時(shí)(看門(mén)狗)電路設(shè)計(jì)： PAGEREF _Toc293939053 h 20HYPERLINK l _Toc2939390542.9.1 X5045引腳介紹 PAGEREF _Toc293939054 h 21HYPERLINK l _Toc2939390552.9.2工作原理： PAGEREF _Toc293939055 h 21HYPERLINK l _Toc293939056第三章軟件系統(tǒng) PAGEREF _Toc293939056 h 24HYPERLINK l _Toc2939

5、390573.1實(shí)時(shí)測(cè)量總體流程 PAGEREF _Toc293939057 h 24HYPERLINK l _Toc2939390583.2標(biāo)準(zhǔn)放大模塊 PAGEREF _Toc293939058 h 35HYPERLINK l _Toc2939390593.3 ADC模塊 PAGEREF _Toc293939059 h 35HYPERLINK l _Toc2939390613.4 濾波與標(biāo)度變換環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc293939061 h 36HYPERLINK l _Toc2939390623.5 DAC模塊 PAGEREF _Toc293939062 h 38HYPERLINK

6、 l _Toc2939390633.6 通訊模塊 PAGEREF _Toc293939063 h 39HYPERLINK l _Toc2939390643.6.1 RS-485串行通信協(xié)議 PAGEREF _Toc293939064 h 39HYPERLINK l _Toc2939390653.6.2協(xié)議的格式 PAGEREF _Toc293939065 h 40HYPERLINK l _Toc2939390663.6.3串行通信協(xié)議的格式 PAGEREF _Toc293939066 h 40HYPERLINK l _Toc293939068第四章實(shí)際電路圖 PAGEREF _Toc29393

7、9068 h 45HYPERLINK l _Toc293939070第五章總結(jié) PAGEREF _Toc293939070 h 48HYPERLINK l _Toc293939071第六章參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc293939071 h 48HYPERLINK l _Toc293939072致 PAGEREF _Toc293939072 h 36智能變送器的設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，智能變送器對(duì)工業(yè)自動(dòng)化越來(lái)越重要。智能式變送器比電容式或擴(kuò)散硅式傳統(tǒng)變送器的價(jià)格高50左右， 但智能式變送器的性能、功能很優(yōu)越，因此性能價(jià)格比較高。智能變送器的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，使用智能變送

8、器無(wú)疑會(huì)給社會(huì)和用戶帶來(lái)更多的效益。變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，高參數(shù)、大容量設(shè)備不斷增加，相應(yīng)的過(guò)程工藝自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜，變送器用量不斷增多，對(duì)性能的要求不斷提高本設(shè)計(jì)總體上從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行了研究探討。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)電路、過(guò)程輸入/輸出通道、人機(jī)接口電路和通信接口電路等功能模板。容涉與器件的選擇和電路設(shè)計(jì)連接，通過(guò)分析與比較選定合適的芯片，達(dá)到既能滿足系統(tǒng)的性能需求，又可充分發(fā)揮芯片本身的性能，避免不足和浪費(fèi)。設(shè)計(jì)電路時(shí)，盡可能采用經(jīng)典的線路，力求標(biāo)準(zhǔn)化；電路中的相關(guān)器件性能須匹配；

9、為確保儀器能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，還須采取相應(yīng)的抗干擾措施，包括去耦濾波、合理的走線、通道的隔離等。軟件設(shè)計(jì)部分主要是設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)、控制流程以與數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)等。這個(gè)階段可以分為兩個(gè)部分；總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)完成軟件系統(tǒng)的模塊劃分，設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)、確立模塊間的凋用與完成全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)等工作；詳細(xì)設(shè)計(jì)完成每個(gè)模塊的部實(shí)現(xiàn)算法、控制流程以與周部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：智能變送器 ；模塊 ；電路設(shè)計(jì)；通信Intelligent pressure transmitter designABSTRACTIn recent years, with the development of the m

10、icroelectronics technology of industrial automation, intelligent pressure transmitter becomes more and more important. Intelligent type transmitter than capacitive or proliferation silicon type of traditional transmitter around 50% of high price, but intelligent type of transmitters performance, fun

11、ction very superior, therefore performance price is quite high. Intelligent pressure transmitter is very wide applications, using intelligent pressure transmitter to the society and users will no doubt bring more benefit. this design overall Transmitter is industrial process important one of basic a

12、utomation equipment. Main physical signal measurement and finish transformation to deal with. With the development of production, the production scale expands, high parameter, high-capacity equipment increases unceasingly, the corresponding process automation management system is complicated, transm

13、itter to increase, dosage of performance requirements enhances unceasingly om hardware circuit design and software design were also discussed. Hardware circuit design includes host circuit, process input/output channel, man-machine interface circuit and communication interface circuit and other func

14、tion templates. Content involves device of choice and circuit design connection, by analyzing and comparing the designation appropriate chip, achieve both can satisfy the system performance requirements, and can give full play to the performance of the chips themselves, avoid deficiencies and waste.

15、 Circuit design, use as far as possible classic lines, and strive to standardization; The relative device performance circuit must be matching; In order to ensure the long-term reliable operation, instrument can still must adopt corresponding anti-interference measures, including decoupling filterin

16、g, reasonable go line, channel segregation, etc. The software design part mainly design software system module structure, control process and database structure, etc. This phase can be divided into two parts; The overall design and detailed design. The overall design completed software system module

17、 partition, design structure, establishing the between modules fitted with and completed the design work global database; The detailed design of the completion of each module internal implementation algorithms, control flow and weeks of data structure design department. KEYWORDS: Intelligent transmi

18、tter; module; circuit design; communication前言變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，高參數(shù)、大容量設(shè)備不斷增加，相應(yīng)的過(guò)程工藝自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜，變送器用量不斷增多，對(duì)性能的要求不斷提高。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來(lái)由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度-、AD與DA變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器創(chuàng)造了條件。諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測(cè)量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以與一機(jī)

19、多用（以同一檢測(cè)模板用于不同物理量的檢測(cè)場(chǎng)合），并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來(lái)越為廣大科技人員所關(guān)注。世界上一些主要的儀表制造廠也相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)各種智能變送器，開(kāi)創(chuàng)了“智能式變送器”的新階段。本設(shè)計(jì)總體上可也分為兩部分，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)電路、過(guò)程輸入/輸出通道、人機(jī)接口電路和通信接口電路等功能模板。容涉與器件的選擇和電路設(shè)計(jì)連接，通過(guò)分析與比較選定合適的芯片，達(dá)到既能滿足系統(tǒng)的性能需求，又可充分發(fā)揮芯片本身的性能，避免不足和浪費(fèi)。設(shè)計(jì)電路時(shí)，盡可能采用經(jīng)典的線路，力求標(biāo)準(zhǔn)化；電路中的相關(guān)器件性能須匹配；為確保儀器能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，

20、還須采取相應(yīng)的抗干擾措施，包括去耦濾波、合理的走線、通道的隔離等。軟件設(shè)計(jì)部分主要是設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)、控制流程以與數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)等。這個(gè)階段可以分為兩個(gè)部分；總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)完成軟件系統(tǒng)的模塊劃分，設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)、確立模塊間的凋用與完成全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)等工作；詳細(xì)設(shè)計(jì)完成每個(gè)模塊的部實(shí)現(xiàn)算法、控制流程以與周部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本論文容大致分為四章。1.綜述，主要分析變送器在控制系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展中的作用與現(xiàn)狀。2.硬件電路設(shè)計(jì)部分，主要是智能變送器的硬件電路的各種硬件與連接方法。3.軟件設(shè)計(jì)部分，主要是針對(duì)各個(gè)模塊的應(yīng)用程序，包括監(jiān)視定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等部分。4

21、.聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試部分，實(shí)際電路的連線和軟件的仿真運(yùn)行。第一章 概 述 自動(dòng)化儀表主要由檢測(cè)儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，相應(yīng)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近10年來(lái)在控制系統(tǒng)方面有了很大進(jìn)展。控制系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了一些高度復(fù)雜的分散型過(guò)程控制系統(tǒng)。在這種情形下，智能變送器的研究發(fā)展日益得到人們的關(guān)注。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)價(jià)格的大幅度下降，PC機(jī)和各種單片機(jī)在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用中日益廣泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測(cè)量?jī)x表往往用單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機(jī)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)

22、一的現(xiàn)實(shí)、存儲(chǔ)、匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來(lái)越迅速。智能變送器的發(fā)展趨勢(shì)（1）微型化體積小、功能齊全的智能儀器,它能夠完成信號(hào)的采集、線性化處理、數(shù)字信號(hào)處理，控制信號(hào)的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)變送器的功能，而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。例如，微型智能儀器能同時(shí)測(cè)量多參數(shù)，而且體積小，可移植性高。（2）融合ISP和EMIT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入(網(wǎng)絡(luò)化)伴

23、隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以與對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。（3）虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段測(cè)量?jī)x器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來(lái)完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，“

24、軟件就是儀器”。 過(guò)程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢(shì)： 控制中心向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移，即傳統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)中的回路級(jí)或裝置級(jí)的控制功能將下放到現(xiàn)場(chǎng)，使系統(tǒng)將成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。 開(kāi)放系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)放系統(tǒng)要求互連性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開(kāi)放系統(tǒng)帶來(lái)了曙光。DI公司(Control System International Inc)推出一種UCOS(用戶可配置開(kāi)放系統(tǒng))DCS，它采用冗余的以太網(wǎng)或光纖局域網(wǎng)將控制臺(tái)、各工作站計(jì)算機(jī)與各現(xiàn)場(chǎng)控制單元(FCU)連接起來(lái)，它采用可來(lái)自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用Wind

25、ows NT，非專利的現(xiàn)場(chǎng)控制單元可提供多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問(wèn)能力，與其連接的I/O子系統(tǒng)亦可來(lái)自多方廠商。毫無(wú)疑問(wèn)，這種系統(tǒng)的將成為真正的開(kāi)放系統(tǒng)。智能控制技術(shù)相得到進(jìn)一步應(yīng)用，專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制與優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用，目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種研究“熱”無(wú)疑將會(huì)使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。多媒體技術(shù)的應(yīng)用，多媒體技術(shù)無(wú)疑可以引入過(guò)程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從DCS的計(jì)算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)畫(huà)面，聽(tīng)到來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的聲音，以此來(lái)監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。 由于智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，過(guò)

26、程控制的主流系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置(集成)的開(kāi)放系統(tǒng)過(guò)渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難于滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來(lái)由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度-、A/D與D/A變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測(cè)量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對(duì)于量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以與一機(jī)多用即以同一檢測(cè)模板用于不同物理量

27、的檢測(cè)場(chǎng)合，并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來(lái)越為廣大科技人員所關(guān)注。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)各種智能變送器，開(kāi)創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。1.1智能變送器的現(xiàn)狀目前普遍使用的變送器是以70年代統(tǒng)一的420mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳送信號(hào)的二線制變送器(國(guó)還有少量四線制010mA信號(hào)變送器)，它們?cè)趥魉托盘?hào)時(shí)，模擬信號(hào)不能簡(jiǎn)單迭加，信道為一對(duì)一，即一對(duì)導(dǎo)線上只能傳輸一個(gè)變送器輸出信號(hào)，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體直接使用微處理器芯片，對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行數(shù)字化處理，并增加數(shù)字通信接口，可直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和

28、低功耗電路，使多個(gè)變送器可共用一條通信總線并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)引線，而且微處理器不但可以接收和處理傳感器數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，從而對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制；可進(jìn)行信息存儲(chǔ)和記憶，能存儲(chǔ)傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補(bǔ)償特性等；微處理器能直接對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使變送器的測(cè)量精度和量程比大為提高；具有自診斷報(bào)警功能，通電后可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，以檢查傳感器各部分是否正常，并做出判斷；具有自動(dòng)補(bǔ)償能力，可通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫漂、時(shí)漂等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；數(shù)據(jù)處理方便準(zhǔn)確，可根據(jù)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、去除異常數(shù)值等。1983年，美國(guó)Honeywell公司將第一

29、個(gè)稱為Smart變送器的STJ3000D壓力變送器推入了美國(guó)國(guó)市場(chǎng)，使智能變送器進(jìn)入了商品化。隨后美國(guó)的Rosemount， Foxboro等一些公司在1986年美國(guó)儀表學(xué)會(huì)(1SA)的會(huì)議上爭(zhēng)相推出了一些稱為Smart變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適合各種新應(yīng)用的能力，克服了以往模擬變送器準(zhǔn)確度不夠高、漂移過(guò)大、量程有限、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一些不足。由于這類變送器部有微處理機(jī)，采用了數(shù)字集成化測(cè)量方式，不僅能輸出420mA的模擬信號(hào)，而且還能輸出數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)和控制室之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測(cè)量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測(cè)量

30、與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如總的測(cè)量回路可以不用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，同傳統(tǒng)變送器比較還具有如下特點(diǎn)：.具有更強(qiáng)的功能、更好的性能；.校正了傳感器的線性度，減少了環(huán)境溫度、壓力等因素對(duì)傳感器的影響，使精度提高到0.1.能將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成工程單位；.有可組態(tài)的故障方式，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離診斷；.能遠(yuǎn)距離調(diào)整測(cè)量圍，能簡(jiǎn)單快速地完成零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)；.能與手動(dòng)終端作遠(yuǎn)距離通信；.可從手動(dòng)終端讀取變送器的數(shù)據(jù)；.變送備的輸出可作為一個(gè)420mA的電流源；.減少了維護(hù)量。由于智能變送器采用先進(jìn)傳感技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字通訊技術(shù)，加上采用超大規(guī)

31、模離子注入技術(shù)與超精細(xì)加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是一般變送器無(wú)法比擬的： 這類變送器無(wú)論做哪一種參數(shù)的測(cè)量，都有一個(gè)共同的方式，就是都有一個(gè)主測(cè)量傳感器，產(chǎn)生一個(gè)微處理機(jī)能夠采用的信號(hào)。智能變送器的發(fā)展是與傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。具有通訊功能是智能變送器的共有特點(diǎn)。用通訊方法將測(cè)量結(jié)果送入操作站，不會(huì)損失精度。因此，比模擬信號(hào)通過(guò)A/D進(jìn)入操作站更優(yōu)越。這種智能變送器給用戶帶來(lái)了極大的方便。它可以通過(guò)一個(gè)SFC智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的變送器進(jìn)行組態(tài)，變更，校準(zhǔn)，自診斷，還可以將現(xiàn)場(chǎng)變送器作為一個(gè)420mA的恒流源來(lái)使用（也是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通訊器來(lái)實(shí)現(xiàn)的

32、）。1.2應(yīng)用前景目前，智能式變送器比電容式或擴(kuò)散硅式傳統(tǒng)變送器的價(jià)格高50左右，但智能式變送器的性能、功能很優(yōu)越，因此性能價(jià)格比較高。智能變送器的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，使用智能變送器無(wú)疑會(huì)給社會(huì)和用戶帶來(lái)更多的效益。尤其在以下特殊應(yīng)用場(chǎng)合更能發(fā)揮其優(yōu)越性。1. 用于現(xiàn)場(chǎng)總線根據(jù)ISA SP50委員會(huì)定義的現(xiàn)場(chǎng)總線概念，智能變送器將在現(xiàn)場(chǎng)總線中扮演主要角色，具有PID調(diào)節(jié)功能的變送器可以進(jìn)一步將集中控制的危險(xiǎn)性分散到最小，同時(shí)采用數(shù)字通訊，節(jié)省了大量的模擬通訊電線。目前智能變送器的價(jià)格已經(jīng)接近普通變送器的水平。而對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，可以在控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行調(diào)整，更改量程，組態(tài)等操作，相當(dāng)方便。2

33、.用于特殊場(chǎng)合對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線尚未普與的情況，智能變送器可先用于在高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場(chǎng)合，可減少維護(hù)人員的工作量與傷亡的可能性。3.用于要求測(cè)量精度高的場(chǎng)合對(duì)于一些環(huán)境溫度與過(guò)程靜壓變化較大而要求測(cè)量精度高的場(chǎng)合，利用智能變送器具有溫度與靜壓補(bǔ)償這一功能，可明顯提高變送器的測(cè)量準(zhǔn)確性，如儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)灌區(qū)液位的測(cè)量點(diǎn)，冬季與夏季，晝夜之間溫差較大，很容易使普通變送器誤差增加一倍，而智能變送器卻能夠克服這一缺點(diǎn)，提高測(cè)量精度。4.用于量程圍較大的場(chǎng)合近年來(lái)，受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的影響，煉油廠加工的原油性質(zhì)與處理量有較大的波動(dòng)，導(dǎo)致部分流量的測(cè)量回路經(jīng)常出現(xiàn)超量程或在低量程運(yùn)行，而采用的FC

34、系列變送器，量程比太?。?0：1），改量程時(shí)變送器需換型，給生產(chǎn)維護(hù)帶來(lái)了不便，也增加了各種量程的變送器的備用數(shù)量，增加了企業(yè)固定資金的投入。智能變送器的具有40：1的量程比，很容易克服上述困難。 由于其更高的性能價(jià)格比，智能變送器不僅在二十一世紀(jì)的數(shù)字化時(shí)代，而且在現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)期也是大有可為的，它的應(yīng)用前景是美好的。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件部分主要由以下幾部分組成:模擬量輸入通道（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換）；主機(jī)電路（數(shù)據(jù)處理；包括數(shù)字濾波、數(shù)字線性化和進(jìn)行量程變換）；模擬量輸出通道（數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(包括V/I變換)）等幾個(gè)環(huán)節(jié)。主機(jī)電路用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序，并進(jìn)行一系列運(yùn)算處理，它通常由微處理器、ROM

35、、RAM、I/O端口和定時(shí)/計(jì)數(shù)電路等芯片組成，模擬量輸入/輸出通道（分別由A/D和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成）用來(lái)輸入/輸出模擬量信號(hào)；變送器還可以通過(guò)通信接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的需求。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：主主機(jī)電路（微控制器）程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器并行輸入接口并行輸出接口定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行口模擬量輸入電路模擬量輸出電路通信接口圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖此智能變送器的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括集成測(cè)量放大器AD623，多路模擬開(kāi)MAX358，多通道12位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX186，單片機(jī)8051，8位并行D/A轉(zhuǎn)換器ADC0832，具有看門(mén)狗、監(jiān)視定時(shí)與串行EEPROM功能的X5

36、045，RS485驅(qū)動(dòng)收發(fā)器SN75LBC184，與相應(yīng)的采樣保持和多路轉(zhuǎn)換器。硬件電路見(jiàn) HYPERLINK l _4實(shí)際電路圖與框圖 實(shí)際電路圖器件選擇原則 討論了智能變送器硬件電路和軟件電路設(shè)計(jì)的總體思想，從中可以得知，硬件電路應(yīng)力求簡(jiǎn)化，把許多硬件電路很難解決的問(wèn)題通過(guò)軟件來(lái)解決。所以硬件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意到各個(gè)芯片間的連接問(wèn)題以與它們本身各自的功能和特性。在選擇各芯片時(shí)，要注意到芯片間的配匹問(wèn)題，否則將導(dǎo)致 各芯片間連接電路過(guò)于復(fù)雜。這是智能型壓力傳感器/變送器硬件電路設(shè)計(jì)所不可取的。而且這也導(dǎo)致成本上升和干擾信號(hào)增多，且功耗變高，這些都是智能型壓力傳感器/變送器所要解決的問(wèn)題，下面我們具

37、體討論各主要芯片的特征和功能，以期它與我們的硬件電路總體設(shè)計(jì)思想相吻合。2.1A主機(jī)電路中單片機(jī)的選擇MCS- 51單片機(jī)是Intel公司推出的高檔8位單片機(jī)。它的兼容性能非常好，性能也很好。它的有些產(chǎn)品有4K甚至8K ROM，部數(shù)據(jù)存貯器RAM容量為128B(不包括專用寄存器)，MCS-51系列單片機(jī)輸入/輸出口線為32根，即有4個(gè)輸人/輸出口，它可以對(duì)64KB的外部數(shù)據(jù)存貯器尋址，也可以對(duì)64KB,60KB和56KB的外部程序存貯器尋址空間尋址(根據(jù)型號(hào)不同),MCS-51系列單片機(jī)有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它可利用兩根I/O口線作為334個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多

38、種中斷或子程序嵌套的情況。Intel公司還為MCS-51單片機(jī)設(shè)計(jì)了5個(gè)中斷源，分為2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，且每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的。同樣，MCS- 51單片機(jī)的堆棧位置是可編程的，堆棧深度可達(dá)128字節(jié)。Intel公司還為MCS-51單片機(jī)設(shè)計(jì)了1個(gè)由直接可尋址位組成的布爾處理機(jī)，即位處理機(jī)，同時(shí)在指令系統(tǒng)中包含了1個(gè)指令子集，專用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問(wèn)題，值得一提的是，MCS-51有一個(gè)功能非常強(qiáng)的指令系統(tǒng)，它含有加法、減法、乘法、除法、比較、堆棧操作(壓入和彈出)和多種位操作指令，當(dāng)所采用的振蕩器頻率為12MHZ時(shí)，它的大部分指令執(zhí)行時(shí)間為ls

39、，少部分為2s，乘法和除法指令的執(zhí)行時(shí)間也只有4s。我們由以下MCS-51系列單片機(jī)的一些特點(diǎn)和性能可以看出，MCS-51系列單片機(jī)是非常適用于智能化儀器儀表的微機(jī)選擇的。本課題硬件電路設(shè)計(jì)中首先應(yīng)確定單片機(jī)機(jī)型，根據(jù)自己對(duì)單片機(jī)的熟悉程度和智能變送器的性能指標(biāo)要求，我選擇了8051單片機(jī)，根據(jù)以上的分析，8051都帶有4K ROM,無(wú)需外部擴(kuò)展，因此，采用MCS-51系列的8051單片機(jī)。8051單片機(jī)的應(yīng)用模式通常，按照單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展與系統(tǒng)配置狀況，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為最小系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型系統(tǒng)等。智能型壓力變送器力圖采用最小功耗系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的功耗最小。這樣，我們采用CMO

40、S工藝的單片機(jī)供應(yīng)狀態(tài)。但是，對(duì)于智能型變送器，它要完成工業(yè)測(cè)、控功能所必須具備的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)又屬于典型應(yīng)用系統(tǒng)。比如我們的智能型壓力變送器的系統(tǒng)擴(kuò)展是指在單片機(jī)中的ROM,RAM與1/O口等片部件不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，在片外擴(kuò)展相應(yīng)的部分。這樣，我們?cè)谄鈹U(kuò)展了ROM。所以本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)的最小功耗系統(tǒng)和典型系統(tǒng)相結(jié)合的方式。以求達(dá)到最佳的配置狀態(tài)，當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)該注意到硬件與軟件相結(jié)合的問(wèn)題，我們不能只追求它的單方面，8051單片機(jī)盡管屬于比較舊的一種機(jī)型，但是它的功能能夠滿足智能型壓力送送器的要求，這就是我們?cè)诓捎盟臅r(shí)候充分考慮的，而且它的價(jià)格也不貴，這充分體現(xiàn)了性價(jià)比

41、高的要求。當(dāng)然，8051單片機(jī)也有其不足之處，這些缺點(diǎn)我們可以盡量通過(guò)軟件來(lái)克服和避免。2.2模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道（簡(jiǎn)稱模入通道）一般有濾波電路、多路模擬開(kāi)關(guān)、放大器、采樣保持電路（S/H）和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)/模轉(zhuǎn)換的主要器件。模入通道有單通道和多通道之分。多通道的結(jié)構(gòu)又可以分為以下兩種：每個(gè)有獨(dú)自的放大器、S/H和A/D，結(jié)構(gòu)如下圖所示，這種形式通常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它允許各通道同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)如圖2-2圖 2-2 具有各自放大、S/H、以與A/D的結(jié)構(gòu)圖 2-2 具有各自放大、S/H、以與A/D的結(jié)構(gòu)多路通道共享放大器、S/H和A/D，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。這

42、種形式通常用于對(duì)數(shù)據(jù)要求不高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由多路模擬開(kāi)關(guān)輪流采入各通道模擬信號(hào)，經(jīng)放大、保持和A/D轉(zhuǎn)換送入主機(jī)電路。 圖 2-3 共享放大、S/H、以與A/D的結(jié)構(gòu)本題目中，由于待測(cè)數(shù)據(jù)變化并不非常急劇，且路數(shù)較少，所以采用共享結(jié)構(gòu)即可滿足要求。如圖2-4 圖 2-4 實(shí)際共享電路2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括模擬電路和數(shù)字電路。從信號(hào)通路來(lái)說(shuō)A/D變換之前是模擬電路之后是數(shù)字電路。模擬電路和A/D變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評(píng)價(jià)采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。為了提高信噪比，通常要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對(duì)模擬和A/D電路的干擾。在各種噪聲當(dāng)中，由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬與A/D電路的

43、噪聲普遍存在且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時(shí)集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺，通常對(duì)開(kāi)關(guān)電源影響比較大。因此設(shè)計(jì)選擇了光電耦合器件6N136。6N136信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏二極管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后動(dòng)到與門(mén)的一個(gè)輸入端，與門(mén)的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)經(jīng)與門(mén)輸出為高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入電流小于觸發(fā)閥值或使能端為低時(shí)，輸出為高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開(kāi)路的，可針對(duì)接收電路加上上拉電阻或電壓調(diào)整電路。本設(shè)計(jì)中應(yīng)在RS485總線驅(qū)動(dòng)收發(fā)器和單片機(jī)之間加上光電隔離器，以防止電壓過(guò)高，損壞單片

44、機(jī)。放大環(huán)節(jié)由高性能的集成儀表放大器AD623和非易失性數(shù)控電位器X9241組成。利用程序，采用程控改變運(yùn)放的反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娴姆糯笃?。非易失性?shù)控電位器克服了模擬電位器的主要缺點(diǎn)，無(wú)噪聲，壽命長(zhǎng)，阻值可程控改變，設(shè)定阻值掉電記憶。設(shè)計(jì)采用的電路具有增益圍寬，成本低，適用單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為傳感器與ADC之間的信號(hào)放大器。下面具體介紹AD623與X9241：AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，其引腳如圖2-5，該芯片含3個(gè)運(yùn)算放大器，它能在單電源下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合8引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。在無(wú)外接電阻的條

45、件下，AD623被設(shè)置為單倍增益，在接入外界電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，且其增益最高可達(dá)1000倍。AD623通過(guò)提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的誤差。線路噪聲與諧波將由于共模抑制比在高達(dá)200HZ時(shí)仍保持恒定而受到抑制。AD623具有較寬的共模輸入圍，它可以放大具有低于地電平150mv共模電壓的信號(hào)，雖然AD623是按照工作于單電源方式進(jìn)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但當(dāng)它工作于雙電源（2.5V至6.0V）時(shí)，仍然能提供優(yōu)良的性能。低功耗（3V時(shí)1.5mW）、寬電源電壓圍、滿電源幅度輸出，使AD623成為本課題設(shè)計(jì)的理想選擇。AD623的特性 A. DC特性 0.1%增益誤差（G

46、=1）圖2-5 AD623芯片引腳0.35%增益誤差（G1）圖2-5 AD623芯片引腳25ppm增益漂移（G=1）200V最大輸入失調(diào)電壓（AD623A）2V/最大輸入失調(diào)漂移（AD623A）100V最大輸入失調(diào)電壓（AD623B）1V/最大輸入失調(diào)漂移（AD623B）25nA最大輸入偏置電流B. 噪聲 35nV/ Hz 針對(duì)輸入端（RTI）噪聲1kHz（G=1）C. 良好的AC特性最小90dB共模抑制比（CMRR）（G=10）最小84dB共模抑制比（CMRR）（G=5）X9241是把四個(gè)非易失性數(shù)控電位器集成在一個(gè)單片的CMOS微電路中。X9241包含四個(gè)電阻陣列，每個(gè)陣列包含有63個(gè)電阻

47、單元，所有的四個(gè)電位器分享串行接口并分享一個(gè)公共的結(jié)構(gòu)。每個(gè)電位器包括一個(gè)電阻陣列、一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器以與4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。在每個(gè)單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪問(wèn)的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元在陣列中的位置由用戶通過(guò)二線串行總線接口控制。每個(gè)電阻陣列，與一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器（WCR）和四個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器聯(lián)系在一起，這四個(gè)數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶直接寫(xiě)入和讀出?；瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶讀出和寫(xiě)入。數(shù)據(jù)寄存器的容可以傳輸?shù)交瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器以 設(shè)置滑動(dòng)端的位置。當(dāng)前滑動(dòng)端的位置可以被傳輸?shù)脚c它相聯(lián)系的任一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。這些陣列可以串聯(lián)起來(lái)成為具有127、190或

48、253個(gè)抽頭的電阻元件。X9241引腳與其說(shuō)明：主要引腳：串行時(shí)鐘（SCL） 用于時(shí)鐘脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入和輸出X9241串行數(shù)據(jù)線（SDA） SDA是一個(gè)雙向的引腳，用來(lái)向器件輸入和輸出數(shù)據(jù)。它是一個(gè)漏極開(kāi)路輸出，因此可以與任何數(shù)目的漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路輸出進(jìn)行線或。漏極開(kāi)路輸出需要使用上拉電阻。地址線（A0A3） 地址輸入端用來(lái)設(shè)置8位從屬地址的低4位。從屬地址的串行數(shù)據(jù)流必須與輸入地址相匹配以便開(kāi)始與X9241的通信圖 2-6 X9241引腳圖圖 2-6 X9241引腳圖表 2-1 X9241引腳功能表 2-1 X9241引腳功能X9241工作原理： X9241是包含了四個(gè)電阻陣列以與它們有

49、關(guān)的寄存器、計(jì)數(shù)器和在主機(jī)與電位器間提供直接通訊的串行邏輯接口的高集成度的微電路。(1) 串行接口X9241支持雙向總線的定向規(guī)約。這個(gè)規(guī)約定義任何器件，當(dāng)它把數(shù)據(jù)送至總線時(shí)為發(fā)送器而當(dāng)它從總線接收數(shù)據(jù)時(shí)為接收器。一個(gè)控制傳輸?shù)钠骷侵鳈C(jī)，而被控制的器件則為從機(jī)。主機(jī)總是啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸并為發(fā)送和接收操作提供時(shí)鐘。所以，X9241在所有應(yīng)用中被考慮成一個(gè)從屬器件。(2)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的約定在SDA線上的數(shù)據(jù)只有在SCL為低的期間（tLOW）才能改變狀態(tài)。當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA狀態(tài)的改變被保留用作表示開(kāi)始或終止的條件。(3) 開(kāi)始條件送給X9241所有的命令都由開(kāi)始條件引導(dǎo)，這個(gè)條件就是當(dāng)SCL為高時(shí)

50、（tHIGH），SDA由高至低的跳變。X9241連續(xù)地監(jiān)視SDA和SCL線上的開(kāi)始條件，在遇到這個(gè)條件之前將不響應(yīng)任何命令。(4) 終止條件所有的通信必須由一個(gè)終止條件來(lái)結(jié)束，這個(gè)條件就是當(dāng)SCL為高時(shí)SDA由低至高的跳變。(5) 應(yīng)答應(yīng)答是一個(gè)軟件規(guī)約，這個(gè)規(guī)約用來(lái)在主、從器件的總線間提供一個(gè)正的握手信號(hào)，以表示數(shù)據(jù)接收成功。發(fā)送器件（不管是主或從）在發(fā)送8位數(shù)碼以后將釋放SDA總線。主器件將產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘周期，而在這個(gè)期間接收器把SDA線拉低，作為成功地接收了前8位數(shù)據(jù)的響應(yīng)。在識(shí)別出開(kāi)始條件和它的從地址以后，X9241將給出一個(gè)應(yīng)答作為響應(yīng)，而在成功地接收命令字節(jié)后再一次應(yīng)答。如果命令后

51、面跟一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，則X9241將響應(yīng)一個(gè)最終的應(yīng)答。(6) 陣列說(shuō)明X9241包含四個(gè)電阻陣列。每個(gè)陣列包含63個(gè)串聯(lián)連接的分立的電阻段。每個(gè)陣列的物理終端等效于一個(gè)機(jī)械電位器的固定端（VH和VL輸入端）。在每個(gè)陣列的二個(gè)終端以與每個(gè)電阻段之間是一個(gè)連接到滑動(dòng)輸出端（VW）的FET開(kāi)關(guān)。在每個(gè)單獨(dú)的陣列中，同一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)可以接通。這些開(kāi)關(guān)由滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器（WCR）控制。WCR中的低6位被譯碼以選擇和使能六十四選一的開(kāi)關(guān)。WCR可以直接被寫(xiě)入，或者它也可以通過(guò)把4個(gè)輔助數(shù)據(jù)寄存器之一的容傳輸?shù)絎CR中來(lái)改變其容。這些數(shù)據(jù)寄存器和WCR都可以由主系統(tǒng)來(lái)讀出和寫(xiě)入。(7) 器件尋址在開(kāi)始條件

52、的后面，主器件必須輸出它所要訪問(wèn)的從器件的地址。從器件的高4位地址是器件類型辨識(shí)符（見(jiàn)圖2-7）。對(duì)X9241來(lái)說(shuō)，這個(gè)辨識(shí)符固定為0101B。圖2-7 從器件的地址從器件地址的后4位是該器件的地址。物理器件地址由A0A3輸入端的狀態(tài)來(lái)定義。圖2-7 從器件的地址X9241把串行數(shù)據(jù)流與地址輸入端的狀態(tài)比較；若要X9241作出一個(gè)應(yīng)答響應(yīng)，則必須是4個(gè)比較位都成功。 （8） 指令結(jié)構(gòu)圖2-8 X9241指令字節(jié)的格式 送到X9241的下一個(gè)字節(jié)包括指令以與寄存器指針的信息。最高4位是指令。后4位指出四個(gè)電位器中的一個(gè)，當(dāng)應(yīng)用是他還指出4個(gè)輔助寄存器中的一個(gè)。其格式如圖2-8所示圖2-8 X92

53、41指令字節(jié)的格式 4個(gè)高位決定了指令。接著二位（P1和P0）選擇四個(gè)電位器中的哪一個(gè)。最后兩位（R1和R0）選擇四個(gè)寄存器中的一個(gè)，當(dāng)一條與寄存器有關(guān)的指令發(fā)出時(shí)，該寄存器將受影響。2.4數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)本環(huán)節(jié)主要由單片機(jī)與部程序構(gòu)成，硬件為單片機(jī)與附加電路，主要工作為軟件處理采集到的數(shù)據(jù)，將在軟件部分進(jìn)行討論。圖2-9 MAX186內(nèi)部框圖2.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)圖2-9 MAX186內(nèi)部框圖目前的很多A/D轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)在部集成了采樣保持功能，所以采用此類芯片可以不必連接外部采樣保持電路，如美國(guó)MAXIM公司的MAX186/MAX188芯片含8通道多路切換開(kāi)關(guān)、高帶寬跟蹤/保持器、12位逐次逼近A

54、/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路等，MAX186自帶4.096V的參考基準(zhǔn)源(MAX188需外加參考基準(zhǔn)源)，本身即為一完整的單片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2-9給出了MAX186結(jié)構(gòu)框圖。MAX186轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)133ksps，同時(shí)提供了SHDN引腳和兩種軟件可選關(guān)斷模式，使它能通過(guò)在兩次轉(zhuǎn)換之間處于關(guān)斷模式而使功耗達(dá)到最低。MAX186的引腳說(shuō)明MAX186為20腳DIP器件(如圖?所示)。CH0-CH7為模擬信號(hào)輸入。為三態(tài)關(guān)斷模式輸入腳，將拉低可進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)最大工作電流僅為10A，將拉高使參考緩沖放大器處在部補(bǔ)償模式，浮空則為外部補(bǔ)償模式。VREF為模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓端，當(dāng)采用外部精密參

55、考源時(shí)也可作為輸入。REFADJ為參考緩沖放大器的輸入腳。SCLK為數(shù)據(jù)輸入輸出用的移位時(shí)鐘，在外部時(shí)鐘模式下SCLK還作為逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換用的時(shí)鐘信號(hào)(占空比需在40%至 60%之間)。為低電平有效片選信號(hào)，只有在為低時(shí)，SCLK脈沖才能把串行數(shù)據(jù)從DIN腳移入芯片，為高電平時(shí)，DOUT處于高阻態(tài)，便于擴(kuò)展多個(gè)芯片。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入腳，DOUT為轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行數(shù)據(jù)輸出端。SSTRB為串行選通輸出，表明本次A/D轉(zhuǎn)換已完成可以讀取數(shù)據(jù)，在部時(shí)鐘方式下，當(dāng)MAX186開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)SSTRB變低直至 轉(zhuǎn)換完畢才變高，在外部時(shí)鐘模式下，在轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位(MSB)出現(xiàn)前SSTRB線上產(chǎn)生一個(gè)

56、寬度為時(shí)鐘周期的高電平脈沖。AGND、DGND分別接模擬地和數(shù)字地，VDD接正電源(+5V)，VSS接負(fù)電源(-5V)或地。圖2-10 MAX186引腳MAX186的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖2-10 MAX186引腳MAX186每次轉(zhuǎn)換前需寫(xiě)入一個(gè)控制字節(jié)。當(dāng)為低時(shí)，在SCLK同步脈沖上升沿作用下通過(guò)DIN端逐位移入MAX186部寄存器，變低后的第一個(gè)邏輯“1”定義為控制字節(jié)的起始位。表2-2為控制字節(jié)的格式。表2-2控制字節(jié)格式Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0STARTSEL2SEL1SEL0PD1PD0START為控制字節(jié)的起始位始終為1。SEL2、SEL1、SEL0為三

57、位選擇轉(zhuǎn)換通道。選擇單極性或雙極性，=1為單極性(模擬信號(hào)圍0至VREF)輸出為直接二進(jìn)制碼，=0為雙極性(模擬信號(hào)圍-VREF/2至+VREF/2)輸出為2的補(bǔ)碼。選擇單端輸入還是差分輸入，=1為單端輸入，輸入信號(hào)以AGND為參考，=0為差分輸入。PD1、PD0選擇時(shí)鐘和關(guān)斷模式。MAX186使用外部串行接口時(shí)鐘或部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換，兩種方式下均由外部時(shí)鐘信號(hào)SCLK將數(shù)據(jù)移入和移出。圖3為外部時(shí)鐘方式轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。當(dāng)控制字節(jié)的最后一位移入后，SSTRB線上產(chǎn)生一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期的高電平脈沖，隨后SCLK上出現(xiàn)的12個(gè)下跳沿將轉(zhuǎn)換結(jié)果逐位移出。CS變成高電平后，SSTRB和DOUT均

58、進(jìn)入高阻態(tài)。外部時(shí)鐘模式下A/D轉(zhuǎn)換的進(jìn)行與轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出之間有嚴(yán)格的時(shí)序要求，對(duì)SCLK信號(hào)的頻率和占空比也有要求，SCLK的周期不能大于10s，否則采樣保持電容上的電荷泄漏會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度。圖4為16個(gè)時(shí)鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖。2.6 V/I變換電路設(shè)計(jì)本部分主要由多通道模擬開(kāi)關(guān)MAX358與放大器組成。具有多路轉(zhuǎn)換與V/I變換功能。由于設(shè)計(jì)為八個(gè)通道采集輸入和八個(gè)通道分別輸出的系統(tǒng)，所以用8選1的模擬開(kāi)關(guān)MAX358。根據(jù)CPU給出的地址信號(hào)進(jìn)行地址譯碼，方便地選擇其輸入通道使輸入與輸出相連通。采樣保持集成電路LF398位國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，具有采樣速度快，保持下降率低與精度高等特點(diǎn)

59、。片不含保持電容CH，用戶可根據(jù)自己的需要選擇不同的CH外接，一般選擇電解電容，當(dāng)保持電容為0.01uf時(shí)，信號(hào)達(dá)到0.01精度所需要的獲取時(shí)間（采樣時(shí)間）位25us，其下降速率為3mv/s。即使輸入電壓等于電源電壓時(shí)，也可以將輸入直接耦合到輸出端。V/I變換則采用放大器構(gòu)成反向輸出求和電路，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出為0時(shí)，只有+1V作用，經(jīng)過(guò)250歐的電阻產(chǎn)生4ma直流信號(hào)，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出為+5V時(shí)，兩個(gè)電源為求和電路，5V信號(hào)經(jīng)過(guò)312.5歐的電阻產(chǎn)生16ma信號(hào)，兩者疊加共產(chǎn)生20ma直流信號(hào)。其電路連接如圖2-11 所示。圖2-11 V/I變換圖2-11 V/I變換2.7光電耦合器選擇與

60、設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)由模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的。從信號(hào)通路來(lái)說(shuō)A/D變換之前是模擬電路之后是數(shù)字電路。模擬電路和A/D變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評(píng)價(jià)采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。 為了提高信噪比，通常要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對(duì)模擬和A/D電路的干擾。在各種噪聲當(dāng)中，由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬與A/D電路的噪聲普遍存在且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時(shí)集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺，通常對(duì)開(kāi)關(guān)電源影響比較大。因此設(shè)計(jì)選擇了光電耦合器件6N136。6N136信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏二極管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后動(dòng)到