采用IEC－625總線(xiàn)的數據采集與處理系統

1　引　言
　　隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗測試手段發(fā)生了質(zhì)的飛躍。人們把微機引入實(shí)驗系統，對實(shí)驗數據采集實(shí)現智能化控制，提高了實(shí)驗的可靠性和可重復性，同時(shí)實(shí)驗數據的處理能力也大大增強。目前，許多高校的實(shí)驗室購置了微機，并配備了相應的實(shí)驗軟硬件系統，但通常這些實(shí)驗室所用的軟硬件系統專(zhuān)業(yè)性強而通用性差，一套系統只能做一兩個(gè)實(shí)驗，一臺微機必須配備多套系統才能做多個(gè)實(shí)驗。這不僅給實(shí)驗室的使用和管理帶來(lái)不便，而且浪費了硬件資源（因為購置多套系統），在大部分實(shí)驗室經(jīng)費有限的情況下，這種浪費顯得尤為突出。為此，我們根據需要為化學(xué)實(shí)驗設計了一套新型的計算機數據采集與處理系統，該系統的突出特點(diǎn)是具有很強的通用性和擴展性。
2　系統簡(jiǎn)介
　　該系統的通用性表現在只用一套系統便可進(jìn)行大部分化學(xué)實(shí)驗，同時(shí)，由于該系統采用了標準的并行總線(xiàn)接口IEC－625，實(shí)驗者可以像搭積木一樣隨意增加或減少測量所需的從機設備數量，因而具有良好的擴展性。系統中主機與測量從機之間的連接方式如圖1所示。
　　該系統可取代一些常規性的實(shí)驗儀，如自動(dòng)平衡記錄儀、XY函數記錄儀等。另外，系統配備了PH復合電極接口和集成PN溫度傳感器接口一個(gè)，在接口上接上PH復合電極和集成PN溫度傳感器，系統又可取代PH酸度計和貝克曼溫度儀。
　　我們使用這套系統已在物理化學(xué)中支持以下17種實(shí)驗，取得了良好的實(shí)驗效果：（1）中和熱的測定；（2）燃燒熱的測定；（3）化學(xué)反應熱效應的測定；（4）Pb－Sn二元金屬相圖的繪制；（5）醋酸、磷酸的電位滴定；（6）H2O2催化分解反應速度常數的測定；（7）乙酸乙脂皂化反應速度的測定；（8）乙酸電離常數的測定；（9）強電解質(zhì)極限摩爾電導的測定；（10）二元溶液活度系數的測定（色譜法）；（11）原電池電動(dòng)勢的測定；（12）丙酮碘化反應速度常數及活化能的測定；（13）酚酞電離平衡常數的測定；（14）酶催化H2O2分解反應動(dòng)力學(xué)測定；（15）氫超電勢的測定；（16）恒電位線(xiàn)性?huà)呙璺y定極化曲線(xiàn)；（17）差熱分析。
3　硬件設計
　　該系統的硬件部分由信號采集、信號調理、模數轉換、數字信號通訊、IEC－625總線(xiàn)接口這五大模塊組成，信號流程如圖2所示。
　?。?）信號采集模塊是由各類(lèi)實(shí)驗測量?jì)x器和傳感器組成，如電導率計、溫度傳感器、PH計等。它們的作用是將化學(xué)實(shí)驗信息轉化為可處理的模擬電壓信號。

　?。?）信號調理模塊由濾波電路和程控放大器組成，以去除干擾，將信號大小變換到模數轉換器的工作范圍內。
　　程控放大器的原理結構如圖3所示。它由兩個(gè)高輸入阻抗的同相放大器A1，A2組成第一級，實(shí)現高輸入阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩沟淖杩棺儞Q；第二級A3為一個(gè)差分放大器。R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，如果R3＝R4，則電路的閉環(huán)增益為：
　　Af＝－（1＋2R1／Rg）
利用多路開(kāi)關(guān)切換Rg的大小，就可改變放大倍數。Vi1，Vi2為差模信號輸入端。

　　整個(gè)電路實(shí)現對電壓信號的程控放大和阻抗變換，并對共模信號具有很高的抑制，實(shí)際電路設計的程控放大量為三檔，最大放大量為10，此時(shí)系統可測電壓范圍為±0．2V，電壓分辨率為0．01mV，輸入阻抗為1012Ω；最小放大倍數為0．1，此時(shí)系統可測電壓范圍為±20V，電壓分辨率為1mV，輸入阻抗為106Ω；當放大量為1時(shí)，系統可測電壓范圍為±2V，精度為0．1mV，輸入阻抗為1012Ω。
　?。?）模數轉換部分將模擬電壓值轉換為計算機可處理的數字量。該部分以體積小巧、性能穩定的單片機89C51為核心，A／D轉換采用ICL7135雙積分型16位模數轉換器，由穩壓器MC1403提供基準電壓，電路原理如圖4所示。