基于微處理器的多點(diǎn)電流信號(hào)采集及優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊　陽(yáng)

（北京機(jī)電工程研究所，北京　100074）

基于微處理器的多點(diǎn)電流信號(hào)采集及優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊陽(yáng)

（北京機(jī)電工程研究所，北京100074）

自動(dòng)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，隨著應(yīng)用環(huán)境的逐步復(fù)雜和應(yīng)用需求的不斷提升，實(shí)現(xiàn)可靠的多測(cè)點(diǎn)信號(hào)采集具有重要意義；針對(duì)自動(dòng)化設(shè)備多點(diǎn)信號(hào)采集的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于CAN總線(xiàn)（CANopen協(xié)議）的分布式控制系統(tǒng)；使用ATmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了多測(cè)點(diǎn)的4～20 m A電流信號(hào)采集的軟硬件設(shè)計(jì)，并根據(jù)工作應(yīng)用的實(shí)際需求，從軟件與硬件兩方面提出了更加具體的優(yōu)化方法以提升系統(tǒng)性能；最后，利用搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行整體系統(tǒng)的精度實(shí)驗(yàn)，并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與分析；實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠進(jìn)行可靠穩(wěn)定的多測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

多測(cè)點(diǎn)；電流信號(hào)采集；CAN通信；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提升，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)逐步代替人類(lèi)手工作業(yè)，極大的提升了生產(chǎn)效率。在此過(guò)程中，各類(lèi)儀器儀表代替人類(lèi)自身感知，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的認(rèn)知與監(jiān)測(cè)。同時(shí)，由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性不斷增加，單一系統(tǒng)內(nèi)使用的儀器儀表的種類(lèi)與數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，致力于研究性能可靠的多測(cè)點(diǎn)信號(hào)采集的自動(dòng)化系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

1　測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

本文展開(kāi)了基于微處理器的多點(diǎn)電流信號(hào)采集及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別從軟件、硬件兩方面對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能。

由于一般測(cè)試環(huán)境涉及到對(duì)多測(cè)點(diǎn)信號(hào)采集及遠(yuǎn)程傳輸，本文選定了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)及CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，由此得到了基于CAN總線(xiàn)的多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、CAN總線(xiàn)接口卡以及掛接在CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上的若干控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。其中主控計(jì)算機(jī)和CAN總線(xiàn)接口卡之間采用PCI總線(xiàn)連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)也通過(guò)CAN接口電路連接到CAN總線(xiàn)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

基于CAN總線(xiàn)，該測(cè)量系統(tǒng)采用CANopen作為整個(gè)系統(tǒng)的通信協(xié)議。CANopen為基于CAN的高層協(xié)議，是最初由BOSCH公司提出的一種串行數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)。其具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉及其短幀傳輸和無(wú)破壞仲裁技術(shù)等特點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛。CANopen是一個(gè)基于CAL的子協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計(jì)，具有很好的模塊化特性和很高的適應(yīng)性，通過(guò)擴(kuò)展可以適用于大量的應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

1.1系統(tǒng)硬件組成

1.1.1工業(yè)控制機(jī)

主控計(jì)算機(jī)不僅要求運(yùn)算速度快，以滿(mǎn)足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性，而且由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，要求其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，其次作為主控設(shè)備，需要具有高穩(wěn)定性和可靠性。因此本文選擇研華工控機(jī)IPC作為主控計(jì)算機(jī)。其具有嚴(yán)密的防電磁輻射屏蔽，選材上采用工業(yè)級(jí)零組件確保機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障和穩(wěn)定運(yùn)行，支持冗余電源，能在主電源故障的同時(shí)切換到備用電源，提高了系統(tǒng)安全性。具體參數(shù)為：處理器為Intel奔騰4，主頻2.8 GHz，內(nèi)存DDR 1 GB，Intel845GV芯片組，板載高性能VGA控制器；通用14槽無(wú)源底板4個(gè)PCI插槽、8個(gè)ISA插槽、帶PFC（功率因數(shù)補(bǔ)償）電源的高效300WATX，并支持單PS/2電源或冗余電源（通過(guò)更換電源托架）；帶有兩個(gè)高CFM風(fēng)扇的先進(jìn)冷卻系統(tǒng)能夠提供充足的氣流來(lái)冷卻系統(tǒng)的主要部件。此外，前端接線(xiàn)的USB和PS/2鍵盤(pán)I/O接口可以連接各種外部設(shè)備，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、備份和輸入。

1.1.2CAN主站通信卡

PCI-50XX系列工業(yè)級(jí)CAN接口卡是符合工業(yè)級(jí)溫度范圍（-25℃～+85℃）、兼容PCI2.2規(guī)范的PCI-CAN通訊接口卡。支持32位33 MHz PCI局部總線(xiàn)，采用了通用PCI連接器，能讓PC方便地連接到CAN總線(xiàn)上。本文選擇了PCI-5010-P工業(yè)級(jí)CAN接口卡提供1路CAN通道，支持CANopen協(xié)議，在應(yīng)用中更顯方便和靈活。同時(shí)，其支持1 Mbps的高傳輸速率，且集成2 500 V DC電氣隔離保護(hù)，保護(hù)計(jì)算機(jī)避免地環(huán)流的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

1.1.3CAN從站通信卡

XGate-COP10是一款CANopen從站協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成了CANopen從站協(xié)議棧，遵循CiA DS301 V4.02進(jìn)行設(shè)計(jì)，其集成的功能包括了網(wǎng)絡(luò)管理（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)（SDO）、過(guò)程數(shù)據(jù)（PDO）、錯(cuò)誤管理等功能。同時(shí)也遵循了DS303-3指示燈以及DS305層設(shè)置（LSS）等相關(guān)協(xié)議，使模塊功能更強(qiáng)大。所有的功能均通過(guò)Ci A的一致性測(cè)試軟件的測(cè)試，保證了與其它CANopen設(shè)備的良好的兼容性。

1.1.4ATmega16L單片機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)模擬電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，本文使用了AVR單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到功能需求與設(shè)計(jì)成本，本文使用ATmega16L單片機(jī)進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā)，其具有16 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1 K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線(xiàn)，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。本文利用其內(nèi)部的10位精度AD轉(zhuǎn)換器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后通過(guò)RS232串口協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至XGate-COP10從站通信卡，轉(zhuǎn)換為CANopen協(xié)議格式后與工控機(jī)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖2所示。

1.1.5傳感器

根據(jù)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，傳感器的類(lèi)型也是多種多樣。本文基于實(shí)驗(yàn)需要，使用泰儀電子4～20 m A數(shù)字式程控校正器，其可以產(chǎn)生定量電流信號(hào)。誤差為±0.025%±5μA，用以對(duì)系統(tǒng)電流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定與驗(yàn)證。

1.2系統(tǒng)軟件組成

圖2　數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

根據(jù)多測(cè)點(diǎn)電流信號(hào)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)主要分為上位機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)控制面板，用以顯示不同測(cè)量點(diǎn)傳感器所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。下位機(jī)部分為基于AT-mega16L的嵌入式軟件編程，主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)4～20 m A的模擬電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)化。最后便是針對(duì)于上位機(jī)與下位機(jī)通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)與使用。

本文采用研華工控機(jī)提供Windows操作平臺(tái)，使用Microsoft Visual Studio C++建立MFC程序，用以顯示不同采集點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)顯示，本文設(shè)計(jì)的控制面板可以對(duì)多達(dá)58點(diǎn)的電流傳感器信號(hào)進(jìn)行采集與顯示，同時(shí)可以對(duì)電流測(cè)量的范圍進(jìn)行設(shè)置，若測(cè)量值超限可以進(jìn)行報(bào)警顯示。為了方便人員操作，預(yù)先設(shè)置了不同種類(lèi)的測(cè)量方案，如奇數(shù)點(diǎn)測(cè)量、偶數(shù)點(diǎn)測(cè)量、自定義測(cè)量等。

下位機(jī)部分使用ICCAVR軟件編程環(huán)境對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)，AVRStudio對(duì)程序進(jìn)行下載。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先，上位機(jī)發(fā)出的指令通過(guò)CAN通信系統(tǒng)傳輸?shù)较挛粰C(jī)。接到指令后XGATE-COP10芯片的標(biāo)志位Preflag置低，說(shuō)明此時(shí)下位機(jī)收到上位機(jī)所接受指令。將Preflag與單片機(jī)外部中斷引腳相連，并且設(shè)置單片機(jī)外部中斷為下降沿觸發(fā)，此時(shí)程序進(jìn)入單片機(jī)的外部中斷Int0中。關(guān)閉Int0中斷使能，將Preflag的標(biāo)志位置0，同時(shí)開(kāi)啟串口的接受使能，對(duì)來(lái)自于上位機(jī)的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。本文使用的7字節(jié)的數(shù)據(jù)協(xié)議，例如：0x7e，0x11，0x02，0x11，0x00，0x01，0x7d。其中0x7e為起始標(biāo)志位，中間五位為自定義數(shù)據(jù)位，0x7d為CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)接收的正確性。當(dāng)count等于7的時(shí)候，串口接受中斷使能關(guān)閉，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，通過(guò)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)根據(jù)自定義協(xié)議進(jìn)行下一步操作，若未通過(guò)校驗(yàn)則清空數(shù)組重新開(kāi)啟Int0外部中斷使能，等待接受新的數(shù)據(jù)。

下位機(jī)處理器除了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能，還具備對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理過(guò)程。ATmega16L單片機(jī)使用ADC通過(guò)逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。下位機(jī)處理器通過(guò)軟件編程將10位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為4～20 m A數(shù)字量，精度為0.1 m A。協(xié)議中設(shè)定將整數(shù)部分與小數(shù)部分分開(kāi)傳輸占用7字節(jié)協(xié)議的兩個(gè)字節(jié)。例如：0x7e，0x11，0x02，0x11，0x04，0x01，0x79，表示現(xiàn)在所讀取到的電流信號(hào)為4.1 m A。

上位機(jī)與下位機(jī)的通訊使用CANopen協(xié)議，其核心部分是對(duì)象字典（Object Dictionary），通過(guò)對(duì)象字典對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行描述。CANopen對(duì)象字典是一個(gè)有序的對(duì)象組，每個(gè)對(duì)象采用一個(gè)16位的索引來(lái)尋址，其范圍在0x1000～0x9FFF之間。為了允許訪問(wèn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素，定義了一個(gè)8 bit的子索引［3］。

圖3　下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)

在CANopen協(xié)議中主要定義了管理報(bào)文對(duì)象NMT（Network Management）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO（Service Data Object）、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO（Process Data Object）、預(yù)定義報(bào)文或特殊功能對(duì)象等4種對(duì)象。其中通過(guò)NMT服務(wù)，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化、運(yùn)行、監(jiān)控、復(fù)位和停止。SDO主要用于主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置，PDO用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。以上位機(jī)通過(guò)CANopen協(xié)議給末端擰緊裝置發(fā)送數(shù)據(jù)為例，其程序流程如下：首先上位機(jī)通過(guò)CANopen協(xié)議將0x32（示例數(shù)據(jù)）傳送給XGate-COP10的RPDO1，此時(shí)，0x32保存在XGate-COP10的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)#0號(hào)位置。同時(shí)，MCU通過(guò)串口實(shí)時(shí)地先后向XGate-COP10發(fā)送0x7e，0x11，0x02，0x11，0x00，0x01，0x7d。XGate-COP10接到命令后便通過(guò)串口回應(yīng)MCU，先后發(fā)送0x7e，0x11，0x09，0x11，0x00，0x32，0x XX（校驗(yàn)碼）。其中，0x32就是所需數(shù)據(jù)。

2　測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)搭建完成后，本文采用了不同的方法對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化，保證其穩(wěn)定性，提高精確度。下面分別從硬件、軟件兩方面進(jìn)行描述。

2.1硬件優(yōu)化

設(shè)計(jì)預(yù)處理電路，提高AD利用率：

常用的4～20 m A電流信號(hào)采集電路為通過(guò)250Ω高精度采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號(hào)，ATmega16L單片機(jī)的輸入電壓端進(jìn)行信號(hào)的輸入，而后再進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化。此種方案雖然簡(jiǎn)單易行，但是存在一定的不足。首先，AT-mega16單片機(jī)內(nèi)置10位精度的ADC，管腳輸入的電壓范圍為0～5 V。如果電壓信號(hào)輸入量程為1～5 V，則AD的利用率下降。其次，采樣過(guò)程中噪聲問(wèn)題無(wú)法解決，無(wú)法排除由于外部噪聲所帶來(lái)的干擾降低采樣的精度。為了提高單片機(jī)AD利用率，同時(shí)提高系統(tǒng)抗干擾的特性，本文使用RCV420芯片進(jìn)行電流信號(hào)采集的預(yù)處理電路設(shè)計(jì)。該電路由精密運(yùn)算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和10 V的基準(zhǔn)電源網(wǎng)絡(luò)組成。其應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4　RCV420應(yīng)用電路

2.2軟件優(yōu)化

1）數(shù)字濾波的選擇：

單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，電源噪聲，電磁干擾，外部噪聲等都會(huì)對(duì)其進(jìn)行疊加干擾，所以使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集濾波，常用的濾波方法有以下4種：（1）限幅濾波：兩次采樣之差小于最大偏差值則有效，反之使用前一數(shù)值代替本次數(shù)值（2）中值濾波：連續(xù)取奇數(shù)次數(shù)值，取中間值為采樣數(shù)值（3）加權(quán)平均濾波：連續(xù)多次采樣后乘以不同的加權(quán)系數(shù)，以加權(quán)平均值為當(dāng)前數(shù)值（4）滑動(dòng)平均濾波：連續(xù)采樣多個(gè)數(shù)值作為隊(duì)列，將新數(shù)值作為隊(duì)尾，去掉隊(duì)首后取平均數(shù)值作為當(dāng)前值［4］。考慮到本文所述工作現(xiàn)場(chǎng)工況，采用10 ms的采樣頻率，對(duì)連續(xù)N個(gè)數(shù)值進(jìn)行均值化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用滑動(dòng)平均濾波可以得到更好的測(cè)量效果。

int filter（）

｛

int count；

int filter_sum=0；

value_buf［N］=mega16_ad（）；

for（count=0；count＜N；count++）

value_buf［count］=value_buf［count+1］；

filter_sum+=filter_buf［count］；

return（int）（filter_sum/N）；

｝

2）看門(mén)狗設(shè)置：

看門(mén)狗是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)軟件或硬件方式在一定的周期內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制復(fù)位，以保證系統(tǒng)在受到干擾時(shí)仍然能夠維持正常的工作狀態(tài)。本文中為了防止系統(tǒng)因?yàn)殄e(cuò)誤進(jìn)入死循環(huán)，并且保證系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下自動(dòng)掛起以減少片內(nèi)資源浪費(fèi)，在程序當(dāng)中增加了看門(mén)狗功能。

信號(hào)校正器輸入電流/ m A上位機(jī)顯示電流/ m A　　　修正值+ 0 . 1最終偏差值4 . 0　　3 . 9　　4 . 0　　0 . 0 4 . 5　　4 . 4　　4 . 5　　0 . 0 5 . 0　　4 . 9　　5 . 0　　0 . 0 5 . 5　　5 . 5　　5 . 6　　0 . 1 6 . 0　　5 . 9　　6 . 0　　0 . 0 6 . 5　　6 . 4　　6 . 5　　0 . 0 7 . 0　　6 . 9　　7 . 0　　0 . 0 7 . 5　　7 . 5　　7 . 6　　0 . 1 8 . 0　　7 . 9　　8 . 0　　0 . 0 8 . 5　　8 . 4　　8 . 5　　0 . 0 9 . 0　　8 . 9　　9 . 0　　0 . 0 9 . 5　　9 . 4　　9 . 5　　0 . 0 1 0 . 0　　9 . 9　　1 0 . 0　　0 . 0 1 0 . 5　　1 0 . 4　　1 0 . 5　　0 . 0 1 1 . 0　　1 0 . 9　　1 1 . 0　　0 . 0 1 1 . 5　　1 1 . 4　　1 1 . 5　　0 . 0 1 2 . 0　　1 1 . 9　　1 2 . 0　　0 . 0 1 2 . 5　　1 2 . 5　　1 2 . 6　　0 . 1 1 3 . 0　　1 2 . 9　　1 3 . 0　　0 . 0 1 3 . 5　　1 3 . 4　　1 3 . 5　　0 . 0 1 4 . 0　　1 3 . 9　　1 4 . 0　　0 . 0 1 4 . 5　　1 4 . 4　　1 4 . 5　　0 . 0 1 5 . 0　　1 4 . 9　　1 5 . 0　　0 . 0 1 5 . 5　　1 5 . 4　　1 5 . 5　　0 . 0 1 6 . 0　　1 5 . 9　　1 6 . 0　　0 . 0 1 6 . 5　　1 6 . 4　　1 6 . 5　　0 . 0 1 7 . 0　　1 7 . 0　　1 7 . 1　　0 . 1 1 7 . 0　　1 7 . 0　　1 7 . 1　　0 . 1 1 7 . 5　　1 7 . 4　　1 7 . 5　　0 . 0 1 8 . 0　　1 7 . 9　　1 8 . 0　　0 . 0 1 8 . 5　　1 8 . 4　　1 8 . 5　　0 . 0 1 9 . 0　　1 8 . 9　　1 9 . 0　　0 . 0 1 9 . 5　　1 9 . 4　　1 9 . 5　　0 . 0 2 0 . 0　　1 9 . 9　　2 0 . 0　　0 . 0

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)主要是在已經(jīng)構(gòu)建的多點(diǎn)電流信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)上，對(duì)整體系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)分布式控制系統(tǒng)特點(diǎn)，多測(cè)點(diǎn)電流信號(hào)采集系統(tǒng)只需將單一信號(hào)電路復(fù)用，更改下位機(jī)的節(jié)點(diǎn)號(hào)即可。所以本實(shí)驗(yàn)使用一路電流信號(hào)采集進(jìn)行功能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用電流信號(hào)校正器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)4～20 m A電流，通過(guò)下位機(jī)MCU處理器進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)化，在上位機(jī)的控制面板顯示實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)單個(gè)測(cè)試點(diǎn)電流信號(hào)采集對(duì)多測(cè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：使用信號(hào)發(fā)生器對(duì)4～20 m A電流信號(hào)以步長(zhǎng)為0.5 m A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比電流信號(hào)發(fā)生器與上位機(jī)MFC控制面板顯示數(shù)值差異，并通過(guò)軟件編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，上位機(jī)顯示電流與信號(hào)校正器的輸入電流具有0.1 m A的偏差，在單片機(jī)軟件中進(jìn)行補(bǔ)償后得到修正值，通過(guò)比較修正值與電流實(shí)際輸出值可以看出電流顯示的精確度具有明顯的提高。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)字濾波中調(diào)整采樣頻率可以有效地提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，配合數(shù)字濾波的算法可以消除上位機(jī)測(cè)量數(shù)值的跳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。

4　總結(jié)

本文針對(duì)需要多點(diǎn)模擬電流信號(hào)采集工作環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了基于CAN總線(xiàn)（CANopen協(xié)議）的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)控制系統(tǒng)總體構(gòu)架，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)之上提出了優(yōu)化系統(tǒng)功能的措施。最后，利用搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的電流信號(hào)采集與數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終驗(yàn)證了方案的可行性。

［1］胡秀芳，張艾，陳巖.4～20 m A壓力變送器的電路設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)儀器儀表，2002，17（5）：17-18.

［2］榮杰，饒和昌.基于CANopen協(xié)議的救援機(jī)器人調(diào)試系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011（7）：54-56.

［3］周立功，黃曉清，嚴(yán)寒亮.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CANopen設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］劉琪芳.單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（3）：165-166.

Design and Optimization of Multipoint Current Signal Acquisition System Based on Microprocessor

Yang Yang
（Beijing Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Beijing100074，China）

The extensive using of automatic equipment is one of the most important symbol for industrial modernization.With gradual complex of environment and increasing improvement of demand，it is significant to realize reliable multi-point measurement.Considering the actual demand of engineering，the distributed control system based on CAN bus（CANopen protocol）was designed.In terms of the architecture for the control system，the hardware and software for this system were designed and implemented based on ATmega16.Considering the practical application，more methods are proposed to optimize the performance of system.Finally，based on the prototype，the system accuracy experiment was conducted，and the data was processed and analyzed.The experiment prove the system could realize the reliable measurement，it has a certain reference value.

multipoint；current signal acquisition；CAN communication；optimization design

1671-4598（2016）05-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.063

TP3

A

2015-11-16；

2015-12-22。

楊陽(yáng)（1988-），男，碩士，主要從事智能機(jī)器人，嵌入式開(kāi)發(fā)方向的研究。