自動配料系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的研究與設(shè)計(jì)

劉艷榮

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830021）

0 引 言

實(shí)現(xiàn)高精度的配料控制系統(tǒng)是醫(yī)藥、化工、建材、食品、冶金等行業(yè)的現(xiàn)實(shí)需要。本文對某飼料廠配料系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集是配料系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

1.1 放大電路的設(shè)計(jì)

飼料配料系統(tǒng)采用的荷重傳感器BHR-4M輸出信號非常微弱，通常是毫伏級，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，必須先要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大。在選擇放大器時，考慮到該傳感器輸出阻抗較低，并要防止干擾信號進(jìn)入放大器，本系統(tǒng)采用了超低漂移高精度運(yùn)算放大器OP07。OP07采用了超β工藝，具有高增益、低零點(diǎn)漂移、共模抑制比高、失調(diào)低、溫漂低以及噪聲低的特點(diǎn)，特別適合于微弱信號精確放大的領(lǐng)域。表1是OP07運(yùn)算放大器的主要參數(shù)。

由表1看出，其最大輸出電壓為±12 V，而最大輸出電流IOM僅有±2 mA，帶負(fù)載能力很小，因此必須在此電路后增加功率放大電路，本文系統(tǒng)選擇功率放大器LM1875。該放大器是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，是一種應(yīng)用廣泛的末級功率放大器，它外圍器件少，不失真，功率大，單雙電源均能工作，并且電路內(nèi)自備過載、過熱、抑制反向電勢的安全工作區(qū)保護(hù)電路[1]。本系統(tǒng)采用單電源供電，電路如圖1所示。

圖1中，A1和A2兩個OP07構(gòu)成高精度差動放大電路，功率放大器LM1875用于提高電路帶負(fù)載能力，OP07的1腳與8腳之間接精密電阻器，實(shí)際中先接高精密電位器，待電路調(diào)整好后再用等值的精密電阻代替，這樣零點(diǎn)漂移調(diào)為0.001 mV。同樣電位器R3在實(shí)際工作要換成高精密電阻，以防電位器的電阻值因電路漂移或是震動發(fā)生改變，降低整個電路的共模抑制比。LM187放在最后用于提高該放大電路的帶負(fù)載能力。

1.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換用于將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以適于數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換包括采樣-保持、量化-編碼，采樣保持將模擬信號在時間上離散化，然后再在采樣值得保持時間內(nèi)對采樣值進(jìn)行量化編碼，將模擬信號值在幅值上離散化，并轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號。引起A/D轉(zhuǎn)換的誤差有如下3個方面的原因[2]：采樣誤差、量化誤差、孔徑誤差。影響數(shù)據(jù)采集精度因素還有系統(tǒng)通過率、信號帶寬、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)以及信號源的阻抗。綜合看來，數(shù)據(jù)采集的精度有很多方面的因素決定，要保證前向通道的總誤差小于或等于A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，否則，選擇再好的A/D轉(zhuǎn)換器也得不到好的效果。為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，采用美國MAXIM公司推出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX111芯片，具有±14位的分辨率，不需要外加元件來解決溫漂和時漂的問題，采用內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)；線性度為0.05%，性能較好，可適用于精度要求較高的場合。

圖1 由OP07組成的高精度差動放大電路

1.2.1 MAX111芯片的引腳及性能特點(diǎn)

圖2為MAX111管腳示意圖。

圖2 MAX111管腳示意圖

（1）4腳為電源輸入正端，采用+5 V供電，工作電流640 μA；12腳為數(shù)字地端，13腳為模擬地端。

（2）1、16和15、14分別為模擬信號輸入通道1：INl+、INl-及模擬信號輸入通道2：IN2+、IN2-。故MAX111芯片屬于兩通道輸入轉(zhuǎn)換器。測量范圍-1.5～+1.5 V。

（3）2、3腳分別為基準(zhǔn)電壓正負(fù)輸入端。

（4）5腳RCSEL為時鐘選擇輸入端；6腳XCLK為時鐘輸入/輸出端，由時鐘選擇輸入端來確定XCLK為時鐘輸入還是輸出，當(dāng)RCSEL接GND時，為輸入，當(dāng)RCSEL接高電平時，為輸出端，此時該引腳對地要接一個至少1 MΩ的電阻。

（5）7腳SCLK為串行時鐘輸入。

（6）8腳BUSY為0時，表示MAX111正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；為1時，表示MAX111轉(zhuǎn)化結(jié)束。

（7）9腳CS為片選端，為高電平時A/D轉(zhuǎn)換開始，為低電平時開始寫入控制字以及讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

（8）10、11腳分別為串行數(shù)據(jù)輸入及串行數(shù)據(jù)輸出端，輸出端用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，具有14位分辨率，并帶有溢出位和符號位，共16位數(shù)字。輸入端用于向轉(zhuǎn)換器寫入控制字，每次轉(zhuǎn)換按新送入的控制字工作[3]。

1.2.2 MAX111與PLC連接電路

圖3為MAX111與PLC連接電路圖。

模擬輸入端口基本輸入電流為500 nA（輸入電壓范圍為0～1.5 V），等效模擬輸入阻抗為3 MΩ，所以不需要為所輸入的模擬信號加電壓跟隨器。

該系統(tǒng)5 V供電，采用通道1，111CS、111BUSY、111DOUT、111SCKL、111DIN為CPU引腳，111XCLK為外接晶振，通過基準(zhǔn)源器件TL431得到1.5 V的參考電壓。

2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖3 MAX111與PLC連接電路圖

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3 結(jié) 論

本數(shù)據(jù)采集模塊采用了超低漂移高精度運(yùn)算放大器OP07和美國MAXIM公司推出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX111芯片，不需要外加元件來解決溫漂和時漂的問題，結(jié)構(gòu)簡單。該設(shè)計(jì)經(jīng)過測試，放大器的誤差為0.000 3%，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差為0.289%，前向通道各環(huán)節(jié)的方和根誤差0.312 9%，小與系統(tǒng)所規(guī)定的誤差±1%，滿足設(shè)計(jì)要求。