接口復用模擬量采集裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

華　金，　馬　帥

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

0　引　言

接口復用模擬量采集裝置利用對外接口復用技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)實現(xiàn)某一類型模擬量的采集。結(jié)合實際船用傳感器模擬量信號類型，設(shè)計開發(fā)采集裝置具有16路模擬量采集通道，每個通道支持熱電偶、三線式熱電阻、4～20 mA電流及0～5 V電壓等多種類型的模擬量輸入，采集數(shù)據(jù)最終通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)現(xiàn)場總線對外傳輸信息。

1　采集裝置的設(shè)計

接口復用模擬量采集裝置對外接口主要由模擬量輸入接口和CAN通信接口組成。其中每路模擬量輸入接口配置4個端點(nA，nB，nC和nD)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)位置判斷模擬量類型，結(jié)合外部接線方式采集模擬量信號，最多能實現(xiàn)16路通道不同類型模擬量信號采集，支持熱電偶(0～1 300℃)、三線式熱電阻(0～250 ℃)、有源或無源電流(4～20 mA)、電壓(0～5 V)等模擬量輸入。設(shè)計開發(fā)的采集裝置功能性能指標見表1。

表1　采集裝置功能性能指標表

2　硬件設(shè)計

模擬量采集裝置硬件選用ADS1256∑-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有可編程增益放大器PGA，最多可支持4通道差分信號輸入，最高采樣頻率可達30 k sps的特點。 結(jié)合外圍電路CD4052作為多路選通芯片，最終實現(xiàn)16路模擬量信號采集。選用Cortex-M3內(nèi)核LPC1778控制器為核心處理單元，通過內(nèi)嵌串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)控制器與ADC芯片進行數(shù)據(jù)交互，配置初始化參數(shù)，讀取每路AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。簡單邏輯運算后，將計算結(jié)果通過CAN現(xiàn)場總線形式對外傳輸。其原理框圖見圖1。

圖1　采集裝置原理框圖

2.1　CPU

嵌入式微控制器芯片選用Cortex-M3內(nèi)核的LPC1778控制器，該控制器具有功能強大、功耗低、成本低廉、效率高等優(yōu)點，最高速率可達120 MHz。片內(nèi)集成豐富的外設(shè)組件，如Flash存儲器、RAM存儲器、CAN控制器、SPI控制器、以太網(wǎng)控制器、USB控制器及定時器等，無需外接專用芯片即可滿足裝置的各項功能性能指標。

2.2　CAN接口

LPC1778控制器芯片內(nèi)部集成2路CAN控制器，在電路設(shè)計上采用新一代高速帶DC-DC隔離功能(最大電介質(zhì)隔離電壓為2.5 kV)收發(fā)芯片ADM3053，即可實現(xiàn)CAN現(xiàn)場總線通信功能，同時芯片隔離系統(tǒng)內(nèi)、外部電源和信號，可有效抑制外部干擾。

2.3　數(shù)據(jù)采集接口

模擬量數(shù)據(jù)采集電路是裝置硬件設(shè)計的核心部分，其主要功能為CPU通過并行轉(zhuǎn)串行芯片讀取每路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)位置，根據(jù)撥碼開關(guān)位置判斷模擬量信號類型，然后讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。模擬量類型對照表及外部接線見表2和圖2，數(shù)據(jù)采集硬件部分電路原理見圖3。

表2　模擬量類型對照表

圖2　外部接線

2.3.1熱電阻輸入

將第一路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)J1位置0處，此時J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0000，第一列上、中、下3排單刀、單擲芯片均處于斷開狀態(tài)。

將CD4052的片選腳使能，B=A=0，則

圖3　數(shù)據(jù)采集電路硬件原理圖

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：la=lb=0.5 mA；恒流源I、R為Pt100熱電阻；r為線阻。

(3)

為合理利用ADC芯片內(nèi)置PGA，盡量滿足Upn的最小值和最大值等幅，設(shè)計的熱電阻Pt100的測溫范圍為0～250 ℃，查表可知對應(yīng)的電阻值為100～194.10 Ω，因此，選取串聯(lián)1個150 Ω的精密電阻。

2.3.2熱電偶輸入

將第2路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)J2位置2上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0010，第2列中間排單刀、單擲芯片處于導通狀態(tài)，其他開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

將CD4052的片選腳關(guān)閉切斷恒流源通道， B=0，A=1，則

AINP1=Ub=Utc+

(4)

(5)

考慮到單刀、單擲芯片和自恢復保險絲內(nèi)阻與ADS1256芯片輸入阻抗相差數(shù)個數(shù)量級，可忽略不計。

(6)

設(shè)計的熱電偶的測溫范圍為0～1 300 ℃，合理利用ADC芯片內(nèi)置PGA，取PGA=64，同時板載一路16位數(shù)字溫度傳感器ADT7310用于冷端補償。

2.3.3電壓輸入

將第3路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)J3位置3上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0011，第3列中間排單刀、單擲芯片處于導通狀態(tài)，其他開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

將CD4052的片選腳關(guān)閉切斷恒流源通道， B=1，A=0。

取PGA=1，其他參考熱電偶輸入，此時兩者區(qū)別在于電壓輸入范圍為0～5 V信號，而熱電偶輸入信號為mV信號。

2.3.4無源電流輸入

將第4路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)J4位置6上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0110，上、第4列上、中2排單刀、單擲芯片處于導通狀態(tài)，下排處于斷開狀態(tài)。

將CD4052的片選腳關(guān)閉切斷恒流源通道， B=1，A=1，則

(7)

式(7)中:110 Ω為采樣電阻；r為SPST芯片內(nèi)阻電阻值約為2 Ω。

合理利用ADC芯片內(nèi)置PGA，取PGA=2，在不考慮元器件差異性情況下，可在4 mA和20 mA檢測電流下標定數(shù)據(jù)。

2.3.5有源電流輸入

將第5路旋轉(zhuǎn)撥碼開關(guān)J5位置E上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’1110，第5列上、中、下3排單刀、單擲芯片處于導通狀態(tài)。

將CD4052的片選腳關(guān)閉切斷恒流源通道， B=0，A=0，則

(8)

nA端口引腳輸出24 V接入電流傳感器一端，另一端接入nB端口引腳，最終電流回到DC24 V-，其他可參考無源電流輸入。

3　軟件設(shè)計

模擬量采集裝置采用基于時間觸發(fā)設(shè)計模式的軟件架構(gòu)編寫，通過核心調(diào)度器實現(xiàn)最簡單的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)時鐘響應(yīng)函數(shù)(ISR)提供間隔為10 ms的“事件”，核心調(diào)度器被“事件”觸發(fā)后，遍歷任務(wù)塊鏈表，檢索到需被調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級的先后依次執(zhí)行。

3.1　主程序

主程序的詳細軟件流程見圖4。

3.2　模擬量采集任務(wù)

模擬量采集任務(wù)主要功能為根據(jù)模擬量信號類型和當前采集通道號合理設(shè)置PGA與內(nèi)部配置參數(shù)，定時讀取ADS1256內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。詳細軟件流程見圖5。

3.3　報文發(fā)送任務(wù)

報文發(fā)送任務(wù)主要功能是根據(jù)模擬量信號類型，將讀取結(jié)果ADC數(shù)據(jù)類型換算為實際的電壓、電流和溫度，并結(jié)合標定數(shù)據(jù)保證轉(zhuǎn)換精度，最后組裝報文發(fā)送。詳細軟件流程見圖6。

圖4　主程序流程圖

圖5　模擬量采集流程

圖6　報文發(fā)送流程

3.4報文標定任務(wù)

報文標定任務(wù)主要功能為從CAN現(xiàn)場總線接口接收上位機軟件發(fā)送的標定報文，再根據(jù)模擬量信號類型確認標定數(shù)據(jù)。詳細軟件流程見圖7。

圖7　報文標定流程

4　裝置實現(xiàn)與試驗

為驗證接口復用模擬量采集裝置功能、性能指標，將采集裝置前5路采集通道類型具體化。第1路通道旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置為0，熱電阻輸入，溫度為100 ℃時對應(yīng)阻值為138.5 Ω；第2路通道旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置為2，熱電偶輸入，溫度為800 ℃時對應(yīng)幅值為33.275 mV；第3路通道旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置為3，0～5 V電壓輸入，幅值為3 V；第4路通道旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置為6，4～20 mA無源電流輸入，幅值為8 mA；第5路通道旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置為E，4～20 mA有源電流輸入，幅值為12 mA；

上位機安裝調(diào)試軟件通過USBCAN模塊接收采集裝置上傳的模擬量信息類型和模擬量數(shù)據(jù)信息，調(diào)試軟件可自動識別具體類型，數(shù)據(jù)解析后顯示。在模塊極限溫度使用條件下(低溫-10 ℃和高溫55 ℃)，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表見表3。

表3　試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

試驗數(shù)據(jù)表明，混合復用模擬量采集裝置的試驗結(jié)果中對微弱信號采集時，采集精度會隨環(huán)境溫度細微變化，但誤差控制在0.5%以內(nèi)，可滿足工程應(yīng)用需求。

5　結(jié)　語

接口復用模擬量采集裝置利用接口復用技術(shù)克服單一類型采集技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)多類型的模擬量信號采集，采集通道最多可達16路，采集數(shù)據(jù)最終以CAN現(xiàn)場總線通信形式傳輸數(shù)據(jù)信息。經(jīng)試驗測試，該裝置運行穩(wěn)定可靠、誤差較小，可滿足高精度測量條件。

參考文獻：

[1]Analog Devices. CN-0287電路筆記[EB/OL]. (2014-2-10)[2017-10-15].http://www.analog.com.

[2]PONT M J. Patterns of Time-Triggered Embedded Systems[M].New Jersey: Addison-Wesley Professional,2001.