AVR單片機在多回路數據采集器中的應用

4 系統AD采集處理的實(shí)現

4.1 A/D轉換器的硬件接口連接

以ATmega128單片機為核心的多回路數據采集器的A/D轉換器的硬件接口電路框圖如圖1所示。ATmega128單片機的內部資源非常豐富，有128KB的閃速存儲器可以編程，4K字節的SRAM和4K字節的EEPROM來(lái)存儲變量，一般情況下，不需要擴展外部的ROM和RAM。

系統的硬件制板主要分為一塊CPU主控板和八塊I/O接口板。CPU主控板主要包括八路電流信號的采集模塊、參數設置模塊、電源模塊、通訊接口模塊及JTAG接口模塊等。將八路開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出單元分別制成八塊I/O接口板，每塊I/O接口板包括兩個(gè)有源開(kāi)關(guān)量信號和兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)輸出信號。I/O接口板采用與CPU主控板可脫卸方式連接，主要優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)際使用時(shí)可靈活選配，方便實(shí)用，節省了硬件成本，且儀器出故障時(shí)便于維修更換。

由于電力系統中要測量的常常是大電流，被測的電流需經(jīng)過(guò)一級變壓器后才能接入CPU主板，成為主板中電流互感器的模擬輸入信號。模擬信號經(jīng)過(guò)CD4051多路開(kāi)關(guān)，并由LF124四運算放大器將模擬電流小信號放大。每路的最大輸入電流允許為6A。放大后的模擬信號利用微處理器提供的內部ADC進(jìn)行模數轉換處理，并將10位轉換結果放在A(yíng)DC數據寄存器ADCH和ADCL中。在連續采樣模式下，ADC連續取樣，并不斷更新ADC數據寄存器。本系統的關(guān)鍵技術(shù)在于八路模擬信號共用同一個(gè)放大電路，既可解決一致性問(wèn)題，又可節約硬件成本。同時(shí)八路模擬輸入信號全部用模擬多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行隔離，避免信號之間的相互干擾。為了確保采集的速度，需ATmega128微處理器對八路模擬信號進(jìn)行連續高速巡回檢測，并在模擬多路開(kāi)關(guān)切換時(shí)進(jìn)行軟件消抖。由于系統被測交流電流變化緩慢，在組成對模擬信號的自動(dòng)巡回檢測模塊時(shí)，沒(méi)有加入采樣/保持器電路。對八路模擬信號還采用數字濾波和分段線(xiàn)性補償等軟件技術(shù)，增強抗干擾性，使信號采樣保持在最佳線(xiàn)性狀態(tài)，以保證測量的精確度。

所有輸入、輸出開(kāi)關(guān)量信號都采用光電隔離器實(shí)現系統與現場(chǎng)信號的隔離，提高系統的

抗干擾能力。I/O接口板中報警和狀態(tài)信號燈工作時(shí)電源供電都為DC24V，LED顯示對報警和狀態(tài)信號有無(wú)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)報告。I/O接口板提供的2個(gè)繼電器觸點(diǎn)輸出信號，有信號輸出時(shí)，繼電器觸點(diǎn)將閉合。其中繼電器采用OMRON G6B-114AP，體積小，觸點(diǎn)允許接通的最大信號為：5A，250V（交流）或 5A ，30V（直流）。

一般微處理器本身不具備串行通信接口功能，因此，可以通過(guò)外接串行接口電路加以擴展。在采集器的通訊接口電路設計中，系統的通訊接口電路部分需要配備有RS485接口，接口芯片采用Sipex的工業(yè)級帶高靜電保護的芯片SP485EEN，使通信更可靠。該系統具備遠程操作能力，可以實(shí)現遠程輸入/輸出。

4.2 數據采集和AD處理的軟件實(shí)現

數據采集是該多回路數據采集器軟件編程部分的主要模塊，在循環(huán)執行數據采集程序的同時(shí)，還間隔地調用了時(shí)鐘定時(shí)中斷子程序，數字濾波子程序和分段線(xiàn)性補償子程序等。系統上電執行初始化程序，復位個(gè)端口。通過(guò)操作按鍵確定了采集系統時(shí)間段的初始時(shí)間之后，系統開(kāi)始對0~7通道間隔1s時(shí)間采集一次電流值，調用數字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數值。再通過(guò)數據轉換和處理后送微處理器的數據存儲器，等待PC機的讀取。

數據采集處理的實(shí)現采用AVR單片機C編輯器——ICCAVR編程，以下是系統查詢(xún)讀AD子程序和AD處理的部分程序。

1．查詢(xún)讀AD子程序

#define ADC_VREF_TYPE 0x00 // Read the AD conversion result

unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)

{ ADMUX=adc_input|ADC_VREF_TYPE; // Start the AD conversion

ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA 0x10)==0);

ADCSRA|=0x10;

return ADCW; }

2．AD處理程序

while (ad_end) // ad_end是位標志，=1表明AD轉換完畢

{ if (temp>2) //采集3組AD值

{ PORTG |=0x08; // PORTG.3=1 ; 關(guān)閉多路開(kāi)關(guān)

ad_ii=ad_i;

ad_ii++;

if(ad_ii>7)ad_ii=0;

PORTF =0xF1;

PORTF |=adtondao[ad_ii]; //切換AD通道

PORTG =0XF7; /*PORTG.3=0; 打開(kāi)多路開(kāi)關(guān)*/

data_cl(); //本組（第三組）AD計算子程序 ad_end=0;

data[2]=adresult.adzhi;

data_cl2(); //3組AD數字濾波程序

temp=0;

ad_i=ad_ii; }

else

{ data_cl(); //計算一組AD值

ad_end=0;

data[temp-1]=adresult.adzhi; //存AD值 } }

5 結束語(yǔ)

ATmega128微處理器本身帶有多路10位精度的逐次比較式A/D轉換器，在該多回路數據采集器系統中可以顯著(zhù)地降低成本。由于A(yíng)Tmega128的A/D轉換器轉換速度比較高，可以采取一些數字濾波算法來(lái)得到較為精確和穩定的轉換結果。利用C語(yǔ)言編程，使該多回路數據采集器系統的硬件設計變得簡(jiǎn)單，AD采集處理編程也容易，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。采集器樣機經(jīng)廠(chǎng)家與標準0.2級電流表對照試驗，多路電流測量都已超過(guò)0.5級表的標準；由于它直接對交流信號波形進(jìn)行采樣運算，因此其精度、響應速度比采用直流采樣方法的高，而且系統更新、維護方便，為今后開(kāi)發(fā)系列化產(chǎn)品打下了良好的基礎。

參考文獻：

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[3]馮健、張化光，高速實(shí)時(shí)數據采集裝置及其測量方法[J]，儀器儀表學(xué)報，2005，（8）：256-257.