基于dsPIC30F的高精度數據采集器的研制

引 言

　　隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數據采集系統的要求日益提高，采集精度、抗干擾能力和操作安裝的簡(jiǎn)易與否成為人們采集數據時(shí)關(guān)注的主要問(wèn)題，這使得高精度的數據采集技術(shù)成為關(guān)鍵。

　　基于單片機或其他系列DSP的數據采集器，受芯片功能和結構的限制，硬件設計中往往需要較多的外圍電路，導致裝置的整體集成度不高，硬件開(kāi)發(fā)相對復雜，使數據采集器的可靠性和抗干擾能力受到極大的限制?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/dsPIC30F">dsPIC30F系列數字信號控制(DSC)芯片，采用高精度、低噪聲、22位分辨率的新型Δ-Σ A/D轉換器MCP3551的高精度數據采集器，具有數據精度高、芯片集成度高、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)。

　　Microchip公司推出的dsPIC30F系列芯片是一款將單片機與DSP技術(shù)相結合的高性能16位數字信號控制器。以16位單片機為核心的dsPIC30F系列芯片不僅具有功能強大的外圍設備和快速中斷處理能力，同時(shí)還融合了可進(jìn)行高速計算的數字信號處理器。此外，它在異常事件處理、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境等方面也表現出強大的性能。由于dsPIC30F芯片的內部資源豐富，因此基于dsPIC30F平臺開(kāi)發(fā)的數據采集器僅需要很少的外設。不但裝置的抗干擾性和可靠性能夠滿(mǎn)足數據采集器在各種環(huán)境下運行的要求，而且可以提升系統的靈活性，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。

數據采集系統設計

　　數據采集系統如圖1所示，主要由模擬信號調理電路、A/D轉換電路、顯示電路和485通信電路等構成。信號進(jìn)入A/D轉換器之前要進(jìn)行處理，模擬信號處理是影響系統性能的重要因素之一，設計時(shí)考慮信號質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變。設計時(shí)在調理電路中采用電位器微調，穩壓管限制輸入量程。在A(yíng)/D轉換電路中采用Microchip公司的MCP3551芯片采樣并轉換信號，它以三線(xiàn)的SPI方式和dsPIC30F微處理器聯(lián)接。dsPIC30F微處理器控制A/D采樣轉換，并通過(guò)顯示電路數碼管顯示輸出及RS485與計算機通信。輸入信號為0~30mA的電流信號，經(jīng)過(guò)調理電路的處理，進(jìn)入MCP3551E的輸入端的差分信號幅度范圍為0～3V，同時(shí)信噪比高。A/D轉換電路是數據采集系統的核心部分，本系統采用Microchip公司的MCP3551芯片。該芯片使用Δ-Σ轉換方法，實(shí)現最高22位的無(wú)丟失碼數據輸出，其有效分辨率為21.9位，轉換精度高，功率消耗低。

系統硬件設計

　　高精度數據采集器以dsPIC30F2010芯片為核心，硬件結構圖如圖2所示。首先，由于dsPIC30F2010為16位數字信號控制器，其強大的計算能力和數據吞吐能力使得dsPIC30F2010能夠單獨完成數據處理、控制、通信、人機接口等功能，減少了芯片數量，簡(jiǎn)化了硬件結構。其次，由于dsPIC30F2010內部集成了許多必需的外圍器件，如RAM、FLASH、EEPROM、USART、MSSP等，使得所需外圍擴展電路很少，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件結構。從圖2可以看出，本裝置的硬件結構非常簡(jiǎn)單，極大地提高了數據采集器的實(shí)時(shí)顯示性及抗干擾性。

A/D采樣轉換模塊設計

　　A/D采樣轉換模塊采用MCP3551，它是一種高精度、低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍并采用單2.7V~5.5V電源供電的單通道22位分辨率Δ-Σ的A/D轉換器，可在擴展溫度范圍（-40oC~+125oC）條件下工作，方便地測量低頻低電壓信號。

　　輸入信號為0~30mA電流，經(jīng)過(guò)調理電路的精密電阻R3把電流信號轉換成電壓信號，進(jìn)入MCP3551的輸入端的差分信號幅度范圍為0~+3V的電壓。電阻R4和電位器RP1并聯(lián)構成微調電路。電阻R2為限流電阻。二極管D1、穩壓管D2及電阻R5構成量程限制電路，當輸入信號的幅值超過(guò)+5V，則二極管D1導通把信號限制在+5V，對后面的電路起保護作用。dsPIC30F微處理器的RB0、SDI和SCK引腳分別與MCP3551的片選端{C}halfnote_{}^{-}{S}halfnote_{}^{-} 、數據輸出端SDO和串行時(shí)鐘輸入端SCK相連。RB0控制著(zhù)轉換的啟動(dòng)。轉換狀態(tài)由SDO/ R{D}halfnote_{}^{-}{Y}halfnote_{}^{-}引腳輸出，在RB0為低電平時(shí)通過(guò)檢測SDI獲得。SDI引腳的高電平狀態(tài)表示器件正在進(jìn)行轉換，而低電平狀態(tài)則表示轉換完成。同時(shí)使用SCK傳輸已準備就緒的數據。

　　在實(shí)際的測量中，參考電源是影響MCP3551采集精度的重要因素之一。為了減小其影響，參考電源必須穩定、噪聲小。因此，使用REF3125作+2.5V電壓的穩壓芯片，以及利用外圍電容的濾波作用進(jìn)一步減少電壓波動(dòng)對MCP3551的影響。

RS485串行通信模塊設計

　　RS485串行通信模塊通過(guò)MAX485芯片進(jìn)行信號收發(fā)。主控機處于遠程控制室，所受干擾小，因此用MAX485芯片完成數據通訊功能。而傳輸分站工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)，干擾較大，因此dsPIC30F微處理器和MAX485之間采用光電隔離。MAX485是半雙工通訊芯片，其收發(fā)狀態(tài)由dsPIC30F微處理器的RB4引腳控制。當RB4置低電平時(shí)，DE連接的二級管導通，使信號輸入端DI 連接的二級管正端電壓較低，二級管截止，發(fā)送器不工作，芯片成為RS485接收器。差分信號由A、B輸入，由接收器輸出反向端RO輸出反向信號，經(jīng)光電隔離到dsPIC30F微處理器的RXD引腳，完成接收過(guò)程。當RB4置高電平時(shí)，DE連接的二級管截止，使得輸入端DI連接的二級管正端電壓較高，此二級管的通斷由DI 輸入端電平高低決定，芯片成為RS485發(fā)送器。信號由dsPIC30F微處理器的TXD引腳發(fā)出，經(jīng)光電隔離，從DI輸入，由A、B口輸出RS485差分信號，完成發(fā)送過(guò)程。另外，由于dsPIC30F微處理器能夠輸出20mA以上的電流，因此，在dsPIC30F微處理器和MAX485的控制連接線(xiàn)路和發(fā)送接收連接線(xiàn)路中，可以不加邏輯門(mén)電路。

LED顯示模塊設計

　　LED顯示模塊采用串行接口的8位數碼管顯示驅動(dòng)器MAX7219。它具有10MHz傳輸率的三線(xiàn)串行接口與dsPIC30F微處理器相連，最多可驅動(dòng)8個(gè)共陰數碼管或64個(gè)發(fā)光二極管。其內部有可存儲顯示信息的8×8靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)掃描電路以及段、位驅動(dòng)器。MAX7219的數據輸入主要由三根輸入線(xiàn)完成。它們分別是串行數據線(xiàn)DIN、加載線(xiàn)LOAD與時(shí)鐘線(xiàn)CLK，分別和dsPIC30F微處理器的RB1、RB2與RB3引腳相連。串行數據是以16 位數據包的形式從DIN 腳串行輸入，在CLK的每一個(gè)上升沿逐位送入芯片內部，LOAD腳在第16個(gè)CLK上升沿出現的同時(shí)或者之后但在下一個(gè)CLK上升沿到達之前，對輸入的數據進(jìn)行鎖存，否則送入的數據將丟失。

系統軟件設計

　　軟件在Microchip公司的MPLAB IDE可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下運行，使用C30編譯器編寫(xiě)。MPLAB IDE提供了方便且功能豐富的界面，其中C30編譯器提供了C語(yǔ)言的標準特性。高精度數據采集器的軟件主要完成A/D轉換、LED顯示和RS485通信功能。

　　主程序流程圖如圖3所示。首先，配置PIC微處理器的SPI端口為在時(shí)鐘下降沿時(shí)，MCP3551輸出數據，在時(shí)鐘上升沿時(shí)鎖存數據。然后配置MCP3551在連續轉換模式方式下工作，上電令RB0為低電平輸出，即{C}halfnote_{}^{-}{S}halfnote_{}^{-} 為低電平，并一直維持。然后查詢(xún)SDI引腳的電平狀態(tài)，如果SDI引腳為低電平，則讀取接收緩沖器SPI1BUF的數據，如果SDI引腳為高電平，則繼續查詢(xún)。然后通過(guò)LED顯示輸出及通過(guò)RS485通信程序與PC機通信。

　　RS485通信采用dsPIC30F微處理器的USART串口接口，以串口中斷的方式通信。串口中斷設定為最高中斷優(yōu)先級，使能接收中斷，禁止發(fā)送中斷。波特率發(fā)生器的值由公式U1BRG=FCY/(16×波特率)?1計算得到，其中FCY為指令周期時(shí)鐘頻率，波特率選擇9600bps，通過(guò)接收器和發(fā)送器進(jìn)行數據傳輸。

結束語(yǔ)

　　本文介紹的基于dsPIC30F的高精度數據采集器，利用了高精度、低噪聲、22位分辨率的新型Δ-Σ的A/D轉換器MCP3551進(jìn)行數據采樣轉換，實(shí)現了dsPIC30F微處理器與PC機的RS485通信功能，并能夠通過(guò)LED顯示輸出。按照此方案設計的系統成功應用于傳感器校驗系統中。實(shí)際的調試和運行表明，此數據采集器可在擴展溫度范圍（-40oC~+125oC）條件下工作，方便地測量低頻低電壓信號，它精度高、抗干擾能力強、體積小，能達到6位半LED顯示輸出，具有很強的實(shí)用價(jià)值。