基于MAX110的容錯數據采集系統的設計

摘 要： 論述了一種容錯采集系統的設計方法，通過(guò)在串行A/D轉換器MAX110的中斷服務(wù)程序中使用軟件定時(shí)器，實(shí)現了對MAX110意外停止轉換的故障恢復，確保了MAX110自動(dòng)連續轉換功能的容錯性，可提高數據采集系統的可靠性。

在工業(yè)過(guò)程控制系統的設計中，與工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境相聯(lián)系的接口電路的設計在保證性能的同時(shí)，要求有較高的可靠性和性能價(jià)格比。對于模擬輸入通道的設計，串行接口的模擬數字(A/D)轉換器愈來(lái)愈受到設計者們的關(guān)注。串行接口A(yíng)/D轉換器接口電路設計簡(jiǎn)單、芯片體積小、信號線(xiàn)大大減少、易于采取隔離措施，而且許多串行接口芯片的工作模式可編程、設計靈活。其中，MAXIM公司的二通道±14bit串行ADC MAX110在從串行接口讀取數據的同時(shí)還完成下一轉換過(guò)程控制方式數據的寫(xiě)入（包括轉換啟動(dòng)控制），這樣便可實(shí)現數據的自動(dòng)采集；在程序設計時(shí)，數據采集進(jìn)程獨立設計，數據按預先設定的方式自動(dòng)存儲到循環(huán)隊列中，完成和主進(jìn)程的數據交換，給系統程序的設計提供了很大的方便。但由于系統受環(huán)境的干擾，A/D轉換器控制數據可能會(huì )出錯，導致ADC意外停止轉換，使數據采集進(jìn)程停止，本文提出了針對這種故障的容錯[１]設計方法。

１ 基于串行A/D轉換器MAX110的數據采集系統的結構

工業(yè)過(guò)程控制的許多慢過(guò)程，對A/D轉換器轉換速度要求較低，所以選用慢速A/D轉換器便可以滿(mǎn)足設計要求?！?4bit串行ADC MAX110BCPE轉換時(shí)間可達到10ms，且可編程控制，精度和速度也可以滿(mǎn)足如溫度控制對象的數據采集要求。作者在設計適用于溫度控制的模糊智能調節器的過(guò)程中，數據采集部分使用了基于串行ADC MAX110的具有容錯功能的數據采集設計方法。系統結構如圖１所示。

模擬信號隔離可選兩種方法：選用模擬隔離放大器或在A(yíng)/D的數字接口采用光電隔離。模擬隔離放大器價(jià)格較高，所以選擇數字隔離方法，而采用串行A/D可大大減少數字信號隔離路數。如圖１所示，串行A/D轉換器MAX110的數字側與微處理器全部采用了光電隔離器件，將MAX110的數據輸入輸出信號、時(shí)鐘信號、轉換結束中斷請求信號由PC817實(shí)現電氣的隔離。在后續的模擬通道中采用了多路開(kāi)關(guān)CD4051選通輸入的各路模擬信號，其中通道選擇信號也采取光電隔離的方法，這樣使A/D轉換器之后的所有電路都與微處理器部分隔離。

２ A/D異常停止轉換故障的自動(dòng)恢復原理

2.1 串行ADC MAX110的控制與數據傳遞

串行ADC MAX110的轉換方式和標定由芯片控制字確定，控制字確定了MAX110 A/D轉換的通道、速度等各種工作方式。MAX110 的控制字包含：轉換時(shí)間控制，SCLK與過(guò)采樣頻率的比率控制、輸入通道選擇、增益標定控制、內部振蕩器掉電控制、模擬部分掉電控制。每次轉換按新送入的控制字工作?？刂谱指袷郊翱刂谱肿饔靡?jiàn)表１。

MAX110采用與Microwire SPI QSPI 串行接口通訊協(xié)議SPI: Serial Peripheral Interface, QSPI Quick SPI）兼容的串行接口標準[３]。其時(shí)序實(shí)現如圖２所示。當微處理器檢測到MAX110轉換完標志 變高時(shí)，AD中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序首先將串行時(shí)鐘信號SCLK初始化為0，再將MAX110片選信號 低，開(kāi)始串行數據的全雙工傳輸：送MAX110轉換命令字，同時(shí)接收MAX110轉換結果。數據的發(fā)送和接收過(guò)程是：首先，微處理器將要送命令字的最高位送到MAX110接收命令字的引腳DIN，然后將SCLK置高，MAX110利用SCLK時(shí)鐘信號的上升沿將命令字最高位讀入；這時(shí)微處理器將MAX110的轉換結果最高位讀入。微處理器再將SCLK置低，使SCLK出現下降沿；MAX110在下降沿將轉換結果的第二位送到DOUT引腳，微處理器將命令字的第二位送到DUN引腳，再將SCLK置高，MAX110利用SCLK 的上升沿讀入命令字的第二位；微處理器讀入MAX110轉換結果的第二位。如此循環(huán)直到將十六位數據接收完畢，命令字寫(xiě)完畢，完成數據交換，最后將 引腳置高。當MAX110的 引腳被置高時(shí)，MAX110開(kāi)始新的轉換，轉換的工作方式由剛接收到的命令字確定。微處理器A/D中斷結束，直到MAX110下一次轉換結束時(shí)間的到來(lái)。

2.2 A/D異常停止轉換故障的檢測及自動(dòng)恢復

A/D轉換器MAX110的啟動(dòng)包括標定和轉換控制字的設置，耗時(shí)較長(cháng)，設計時(shí)將MAX110設置為連續轉換方式，本次轉換啟動(dòng)下次轉換，下次轉換的轉換控制字由本次提供，這樣MAX110就可以連續產(chǎn)生采集數據中斷，實(shí)現數據的自動(dòng)采集。但這種轉換方式有可能出現A/D轉換停止的故障。因為系統受到外界干擾時(shí)，可能會(huì )影響到某些數據線(xiàn)信號波形的偶然畸變，而串行A/D MAX110每次轉換都建立在收到正確轉換命令的基礎上，如受到干擾，轉換命令字錯誤，有可能導致MAX110停止轉換，或者進(jìn)入休眠方式或模擬電路電壓切離的低功耗方式，這樣系統將停止數據采集。

解決這種停止轉換故障的方法如圖3所示。在數據的自動(dòng)采集過(guò)程中，下次轉換的正常工作建立在本次正確送入控制字的基礎上，所以在微處理器的軟件定時(shí)器中設置一個(gè)按一定時(shí)間間隔不停增長(cháng)的計數器ADRUN，在A(yíng)/D轉換中斷服務(wù)程序中將ADRUN計數器值清零。若A/D正常轉換，ADRUN計數器的值將保持在某一范圍內；若A/D停止正常轉換，ADRUN計數器的值將超出預先設定的范圍。在系統程序的主循環(huán)中每次判斷ADRUN計數器的值，若ADRUN計數器超限，說(shuō)明MAX110停止轉換，隨即將MAX110重新初始化，使數據采集模塊恢復正常工作，同時(shí)在系統的故障數據庫中做出記錄以備分析。這種設計方法保證了數據采集模塊的穩定運行，使系統具備了一定的容錯功能。

本文論述的容錯數據采集系統已在自行設計的以Intel 80C196為微處理器的智能調節器中使用和測試。測試時(shí)，給數據采集系統注入故障，使AD采集進(jìn)程停止工作，實(shí)驗證明，在預先設定的時(shí)間內，故障得以排除并記錄了故障情況，數據采集正常進(jìn)行。但這種容錯設計方法的可靠性依賴(lài)于探測故障時(shí)所使用的定時(shí)器的可靠性，若定時(shí)器異常停止工作，系統將不能檢測到A/D轉換的故障。