一種基于MPX2100型壓力傳感器的壓力數據采集系統

　　3、雙積分模/數轉換接口電路

　　(1)芯片ICL7135介紹

　　ICL7135是美國MAXIN公司生產(chǎn)的一個(gè)雙積分式A/D轉換集成電路，該芯片抗干擾能力強、分辯率高、價(jià)格低廉。它的分辯率相當于14位二進(jìn)制數，轉換誤差為±1LSB，轉換輸出為0~19999;當測量量程為0kN~2000kN時(shí)，這樣的精度使得儀表的分辯率達到0.1kN;模擬輸入可以保證0點(diǎn)在常溫下的長(cháng)期穩定性。由于7135輸出的轉換結果是動(dòng)態(tài)掃描BCD碼，因此常規設計一般通過(guò)并行接口與單片機連接，以節省單片機的硬件開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí) 8155中的定時(shí)器還可以滿(mǎn)足7135對時(shí)鐘的需要。

　　(2)A/D轉換電路及其原理

　　電路原理圖如圖5所示。

　　7135與8155的連接是通過(guò)4位2選1數據多路開(kāi)關(guān)74LS157來(lái)實(shí)現的。其選通信號由7135的D5輸出控制。當A/D轉換結束時(shí)，D5輸出高電平，74LS157選通B類(lèi)通道，單片機通過(guò)PA0~PA3讀入萬(wàn)位數B1、狀態(tài)位POL(極性)、OVR(過(guò)量程)和UR(欠量程);當D5輸出完成時(shí)，變?yōu)榈碗娖?這一過(guò)程包括D4~D1數據輸出周期在內)，74LS157選通A類(lèi)通道，單片機通過(guò)PA0~PA3將依次讀入8421碼值 B8，B4，B2及B1，即低位BCD碼，依次形成萬(wàn)、千、百、十、個(gè)各位BCD碼(即轉換結果)。8155A口中斷請求線(xiàn)PC0反相后形成單片機的外中斷0觸發(fā)信號。當7135完成1次轉換后，產(chǎn)生5個(gè)數據選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標志送入A口;A口收到一個(gè)數據后，中斷線(xiàn)PC0變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)單片機的中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉換的數據結果。7135的轉換啟動(dòng)由P14控制，高電平轉換開(kāi)始，低電平保持。

　　經(jīng)調理后的 0V~2V的模擬信號通過(guò)RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉換后的結果包括2部分：極性和量程，反映轉換性質(zhì)的結果。轉換后的數字信號為 D1，D2，D3，D41及D5，其中D5(萬(wàn)位)只能是1或0，其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2，如果量程為 2V，則參考電壓為1V。為了保證轉換的溫度穩定性和精度，采用高精度基準電源MC1403，通過(guò)金屬膜多圈進(jìn)口電位器調節得到。參考電壓上并聯(lián)的CBB 電容C46(0.1mF)，C47(1mF)主要是保證參考電壓的穩定性。

　　積分電容是決定轉換精度的關(guān)鍵器件。按照7135應用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關(guān)，選用時(shí)必須滿(mǎn)足以下要求：

　　R3=滿(mǎn)度電壓/20mA(3)

　　C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅(4)

　　式中，T=1/fclk。

　　fclk—7135的時(shí)鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時(shí)7135的轉換速率為3次/s。

　　在±5V系統中，如模擬地為0V，則擺幅為±4V，此時(shí)量程為?C2V~+2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。

　　(3)PLD技術(shù)的應用

　　為節省了硬件電路的開(kāi)銷(xiāo)，減少硬件電路產(chǎn)生的電磁干擾，系統的部分電路應用了PLD技術(shù)，其可編程邏輯電路(見(jiàn)圖5)由可編程邏輯陳列芯片 GAL16V8組成，主要完成A/D轉換模塊所需的時(shí)鐘信號和轉換結束選通信號產(chǎn)生單片機外中斷0中斷信號的邏輯轉換，其邏輯方程如下：

　　P16=+(與非門(mén))(5)

　　P14=P7+P8(或門(mén))(6)

　　P13=(非門(mén))(7)

　　式中，P2、P3、P7分別為單片機的、、ALE信號;

　　P8—與非門(mén)輸出;P9—8155的A口中斷信號;P13—生成的單片機外中斷觸發(fā)信號。

　　按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.LED，然后通過(guò)編程器寫(xiě)入GAL16V8即可。

　　三、系統軟件設計

　　系統軟件設計采用模塊化結構，采用匯編語(yǔ)言編程，整個(gè)程序由主程序、顯示、鍵盤(pán)掃描、A/D轉換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉換處理子程序流程圖，如圖6所示。

　　四、非線(xiàn)性誤差的修正

　　傳感器、放大器、A/D轉換器總是存在非線(xiàn)性誤差，由于上述非線(xiàn)性關(guān)系的存在，帶來(lái)了精度的降低，為了保證在整個(gè)范圍內滿(mǎn)足精度的要求，所以在實(shí)際應用中應根據控制要求對測量值進(jìn)行誤差修正，修正一般通過(guò)軟件較準實(shí)現。其具體的修正方法應根據信號的工作區段和質(zhì)量要求來(lái)確定。利用單片機的運算和控制能力對非線(xiàn)性關(guān)系找出修正算法，并在反復測試調整后使其達到設計要求。本系統采用分段線(xiàn)性插值法對測量值的曲線(xiàn)進(jìn)行了誤差修正處理。方法為：將0～XMAX分為若干工作區段，每段曲線(xiàn)用一段對應的折線(xiàn)來(lái)代替，對每段折線(xiàn)可求出VQ：

　　Nt:VQ=ai×Nt+bi(8)

　　式中，I—某段折線(xiàn)的序號;ai—該段折線(xiàn)的斜率;bi—該段折線(xiàn)的截距。

　　它們的修正程序流程圖如圖7所示，處理關(guān)系示意曲線(xiàn)如圖8所示。

　　預先將每段的之值存于單片機中，在不同的工作區段，單片機自動(dòng)地將對應的每段的上述值調出進(jìn)行運算處理。(限于篇幅，定量的分析沒(méi)有討論)

　　五、結束語(yǔ)

　　本文描述的是一種通用的高精度壓力數據采集系統，它有許多優(yōu)點(diǎn)，可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作，而且抗干擾能力強、使用壽命長(cháng)、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤(pán)接口，實(shí)現了良好的人機交換?？蓮V泛地應用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域的壓力數據采集、檢測與分析。