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恶劣环境下的高性价比数据采集系统

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随着单片机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性的要求也越来越高，而其中系统的抗干扰性能就是衡量其可靠性的重要指标.

众所周知，工业环境比较恶劣，时常有强烈的电磁干扰，影响CPU的工作，导致程序不能按正常顺序执行，从而造成混乱、失误或死机.因此必须采取一定的抗干扰措施，否则系统就难以稳定、可靠地运行.

工业环境中的干扰一般以脉冲形式进入微机系统，渠道主要有3条，即空间干扰、过程通道干扰和供电系统干扰.空间干扰是电磁信号通过空间辐射进入系统的;过程通道干扰是通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的互连通道进入的;供电系统干扰则是电磁信号通过供电线路进入系统的.一般情况下空间干扰的强度很小，供电系统干扰则可以通过采用抗干扰电源来解决，因此微机系统中的难点是防止过程通道干扰.

抗干扰措施有硬件措施和软件措施.硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入微机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少.软件正常工作的前提首先是CPU必须正常，虽然CPU不能正常工作时还可以通过watchdog看门狗来复位，但是看门狗频繁动作将导致系统无法正常工作;此外软件抗干扰措施是以占用CPU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性，因此构建一个成功的抗干扰系统首先必须做好硬件的抗干扰措施，同时注意与软件相结合.

1 方案的选择和比较

本实验的主要目的就是针对现场环境比较恶劣、各种干扰因素较多的情况，研究一种既能够有效防止工业环境中的过程通道干扰，又能稳定而准确高速地采集信号、进行A/D转换，并且性价比又较高的系统.由于被测信号一般是由电力电子装置产生的，这些装置在工作时往往会产生很多的高次谐波，此外在测量线路上有时也存在很多大容量的冲击负载.由这些渠道产生的干扰，都将通过输入输出通道窜入到系统内部干扰系统的正常工作.而当外部工作环境比较恶劣时，这些干扰将尤为剧烈，容易导致CPU出现死机，程序跑飞的情况.因此，要切断这条渠道，使干扰无法通过A/D通道窜进，就要去掉对象与输入输出通道之间的电路联系，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲.常见的隔离方式有两种，

第1种是对模拟量进行隔离，常采用在A/D转换前加隔离放大器.但是这种方式的每一路成本很高，如果采集通道有很多路，每一路都需要隔离放大器，这样累计的成本就会更高，而且隔离放大器存在着线性不好，有相对误差的问题;如果采用线性光隔的方式除了存在上述的误差之外，还存在零点漂移和精度不高的问题.

第2种是在A/D转换后对数字量进行隔离，在输入输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输，从而将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电器上隔离开来，阻挡很大一部分干扰.这种隔离又有2种方案，其一是采用并行输出的A/D转换芯片.如果采用这种方式还要额外附加很多外围器件，如多路开关、锁存器等，而且由于数据是并行传输的所以同样需要很多的光电隔离器件，造成器件多、系统体积大、可靠性降低，费用高等问题.其二是在电路中采用一种串行输出、集成度高、分辨率满足要求、价格又相对比较便宜的A/D转换芯片.这样就不仅可以保证系统安全可靠地工作，更会大大降低工程所需成本.因此，从这个角度来考虑，在本系统的构建中主要选用TLC2543串行输出的芯片来完成A/D转换的功能，选用高速6N137来完成数字量的光电隔离，此外由于TLC2543自带11个模拟输入通道，故在电路中还节省了多路开关.

2 主要器件介绍及硬件设计

A/D模块采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术实现A/D转换.由于是串行输入结构，能够节省5l系列单片机I/O资源，且价格适中.其特点如下所述：

A/D转换器有12位分辨率;

在工作温度范围内转换时间为10us;

有11个模拟输入通道;

采用3路内置自测试方式;

采样率为66 kbps;

线性误差+1LSB(最大);

有转换结束(EOC)输出;

具有单、双极性输出;

有可编程的MSB或LSB前导;

输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位.

其芯片引脚排列如图1.图中AIN0～AIN10为模拟输入端;/CS为片选端;Data input为串行数据输入端;Data out为A/D转换结果的三态串行输出端;EOC为转换结束端;I/O clock为I/O时钟;REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端;VCC为电源;GND为地.其具体硬件电路设计如图2所示.

其中，单片机80C51是整个系统的核心，TLC2543芯片对输入的模拟信号进行A/D转换，转换结果由单片机通过P1.1引脚接收，A/D芯片的通道选择和方式数据通过P1.3引脚由单片机写入TLC2543芯片，高速6N137芯片只需75 ns的延迟时间，用来对输入输出数据进行光电隔离，74LS32芯片完成功率驱动的功能.

3 软件流程

这一系统的软件流程图如图3所示.

TLC2543串行A/D转换器采用的是SPI接口，SPI(serial peripheral interface)即串行外围接口，是由motorola制定的一种串行接口规范，它可以在一个微控制器与一个或多个微控制器之间或硬件逻辑外围电路之间实现同步通讯.它无须了解设备使用的协议、封装形式和模式/控制位，而只须给出收发数据线、同步时钟线和片选线即可方便地在两个或多个设备之间实现数据的收发，至于上层协议则留给用户和其软件来设置.因此，使用这个接口可以很便利地实现外部设备间的同步通讯.但是80C51微控制器一族并没有提供SPI外围接口，因此，为了实现与TLC2543A/D转换器的SPI数据通讯，采用软件来同步SPI操作.此外对于输入信号上存在的干扰，也可以通过数字滤波的方式由软件来消除.

4 部分实验数据及成本估算

测试单通道数据时，满量程电压取为5 V，通过调节变换与通道直接相连的电位器的电压，测得的数据如表1所示.