ＡＤ７７０５在萬能試驗機數據采集中的應用

摘 要：針對目前低檔液壓式萬能試驗機存在的問題，結合試驗站的實際情況，設計采用計算機集中管理分散控制模式的技術改造方案。該方案使低檔液壓萬能試驗機實現了試驗數據采集及控制的自動化，實踐證明該系統的測量精度達到±0.5%FS，完全滿足國家對試驗機檢定的技術標準（測量精度±1%FS）要求。結合AD7705在萬能試驗機數據采集中的應用，詳細介紹了AD7705與MCS51系列單片機的硬件接口設計和軟件設計中應注意的問題，給出單片機對AD7705實現讀、寫操作的源程序。本測控系統采用集散控制技術，充分利用系統的硬件資源；數據采集采用雙通道A/D轉換器AD7705，簡化了常規的信號調理環節，提高了系統的可靠性。

關鍵詞：萬能實驗機；A/D轉換；有效分辨率；數據采集

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1617403

Application in Data Acquisition of Universal Testing Machine Using AD7705

LIU Junfu，LIU Jin′e

(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College，Shijiazhuang，050035，China)

Abstract：In view of the problems with the current lowgrade hydraulic universal tester，incorporated with the actual situation of the experimental station，technological transformation schemes based on centralized management and distributed control are designed.Automatic data acquisition and automatic control are achieved for the modified testing machine.The measuring accuracy is ± 0.5% FS.It fully meets the National Verification technical standards (measuring accuracy of ± 1% FS).Incorporated with the application of AD7705 in the data acquisition of universal testing machine，the questions that should be noticed in the hardware interface between AD7705 and the MCS-51 series SCM software design are mainly introduced.The source program of SCM is given for reading writting AD7705.The key technical points of this measurement and control system:distributed control technology is used，the system's hardware resources are fully used;the dualchannel AD converter AD7705 is used in data acquisition，which simplifies the conventional signal conditioning link，thereby the reliability of this system is improved.

Keywords：universal testing machine;A/D conversion;peaktopeak resolution;data acquisition

目前，我國液壓式萬能試驗機按測量技術可分為低檔和高檔。高檔機以微機控制液壓式萬能試驗機為代表，但其價格昂貴。低檔機則是以測力油缸和杠桿擺錘測量力值系統的液壓式萬能試驗機。這類試驗機的液壓和機械部分有很強的試驗能力，但其控制系統都比較單一、自動化程度低，其測控系統已成為阻礙其試驗能力和自動化程度提高的關鍵制約因素^［1］。石家莊市建設局2004年撥資金并立項“試驗機智能控制器研究”，要求對這類材料試驗機采用計算機技術進行改造，以大幅度地提高試驗機的試驗能力、檢測精度和自動化程度。

技術改造的關鍵是測量數據的自動采集及加荷速度的自動控制。為了提高系統精度，數據采集采用A/D公司推出的由緩沖器和增益可編程放大器、ΣΔ調制器、可編程數字濾波器等組成的16位雙通道A/D轉換器AD7705，它能夠直接將傳感器檢測到的微小信號進行A/D轉換，其具有高分辨率、寬動態范圍、自校準、優良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，適合于數據采集系統中信號處理的需要。

1 系統硬件設計

每個試驗站一般都有多臺試驗機，為了降低測控系統的成本，系統采用集中管理分散控制模式，即由1臺上位機(PC機)、多臺下位機(單片機)組成。下位機采用單片機技術，構成智能式現場測量控制系統，實現試驗數據的自動采集及加荷速度的自動控制。微型計算機具有容量大，易于進行大量的數據處理、存儲和輸出等特征。而單片機系統集成度高、功能強、成本低廉、體積小，恰到好處地彌補了微型計算機系統體積大、操作繁瑣、成本高、不宜推廣等缺陷。這種控制模式充分利用系統的硬件資源，實現上位機、下位機的優勢互補，提高了系統性能價格比，符合本系統的設計宗旨。系統組成如圖1所示。

2 數據采集通道設計

本系統需要采集實驗過程中壓力、位移（棒料實驗）2個數據，經研究及查閱相關資料，A/D轉換器確定采用AD7705，它具有2 個全差分輸入通道，16位無丟失代碼，0.003%非線性，可編程增益：1～2.7；串行數據接口包括5個：片選輸入口CS，串行施密特邏輯輸入時鐘SCLK，數據輸入口DIN，轉換數據輸出口DOUT，數據準備就緒狀態信號輸出口DRDY^［2］。

每個下位機系統只有1片AD7705，為了節省單片機的I/O線，CS端通常接低電平，配置成三線連接方式。為了提高系統運行速度DRDY輸出引腳接至CPU的INT0以中斷的方式讀取數據。由于MCS51系列單片機的串行接口用于與上微機的通信，因此，只能利用單片機的I/O口通過軟件模擬的方法，實現與帶有串行接口的I/O芯片的聯接。實現的方法是利用MCS51系列單片機的I/O口線，控制所連接芯片的串行時鐘和數據傳送，操作過程由軟件控制數據傳送以及時序(即各過程的時鐘周期)。AD7705的SCLK端接AT89C52的P1.0管腳，數據輸入、輸出端DIN、DOUT一同接P1.1管腳， DRDY接單片機的INT0管腳，通過中斷方式實現對AD7705中寄存器數據的讀取。DRDY端也可接普通P1，P2口中未用的管腳，通過軟件查詢該管腳是否為低電平，實現對AD7705中寄存器數據的讀取。AD7705與單片機的連接如圖2所示。

單片機（AT89C52）的時鐘為11.059 2 MHz。AD7705的主時鐘(Y)取2.457 6 MHz，可編程的增益設置為64。AD7705的基準電壓取自傳（位移、壓力）感器的供電電壓，如圖2所示，經R₁，R₂（R₁=15kΩ，R₂=5.6 kΩ）分壓后給AD7705提供約1.3 V的基準電壓，因此工作電壓的波動不會產生系統測量誤差^［3］。傳感器輸出的差分信號(滿量程值≤20 mV)可直接送到AD7705中進行模數轉換。省去常規的信號調理環節，電路簡化，提高了系統的可靠性。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件

上位機軟件采用VB 6.0編程，主要由主控界面、系統設置、數據采集（與下位機的通信）、數據處理（計算、存儲）、實驗報告打印、系統幫助等5部分組成。

3.2 下位機軟件

下位機（單片機）的軟件包括主程序、初始化程序（中斷系統、AD7705、串行通信口等的初始化）等。本文只重點闡述單片機與AD7705數據交換部分的軟件。

AD7705共有8個片內寄存器，它們是通信寄存器、設置寄存器、時鐘寄存器、數據寄存器以及幾個測試和校準寄存器。這些寄存器的任何操作都必須先寫通信寄存器，然后才能對其他寄存器進行操作。

在編寫單片機與AD7705的數據交換程序時，一定要注意AD7705的數據格式，AD7705串行輸入、輸出的數據MSB在前，對AD7705寄存器進行配置之前必須將命令字按此順序寫入；同樣從AD7705數據寄存器中讀取到單片機時也要注意數據的排列順序。數據寄存器是一個16位只讀寄存器，它用來存放AD7705的最新轉換結果，它由2個8位存貯單元組成，因此必須分成2個8位分別進行排序^［4］。另外，對AD7705寄存器進行讀寫操作，必須嚴格按照其時序要求操作。AD7705的配置與設計的硬件緊密相關，只有在正確配置的情況下才能正常工作。下面分別給出AD7705的設置及讀、寫操作子程序。

3.2.1 AD7705初始化子程序

AD7705初始化子程序為：

INIT7705:MOV A， #20H ;選時鐘寄存器

LCALL W7705

MOV A， #00H ;20 Hz轉換速率

LCALL W7705

MOV A， #10H ;選(1通道)設置寄存器

LCALL W7705

MOV A， #74H ;自校準模式，增益為64

LCALL W7705

RET

通道2的初始化與此類似。

3.2.2 AD7705寫操作子程序

AD7705寫操作子程序為：

; 寫入1 B數據子程序

W7705:CLR P1.0

MOV R7， #08H

W7705-1:MOV C， ACC.7

MOV P1.1， C

RL A

NOP

SETB P1.0

NOP

NOP

CLR P1.0

DJNZ R7， W7705-1

SETB P1.0

SETB P1.1

RET

3.2.3 AD7705讀操作子程序

AD7705讀操作子程序為：

R7705:LCALL W7705 ;調用寫入子程序

MOV R7， #08H ;設置數據位數

MOV R1， #02H ;設置讀取字節數

R7705-1:NOP

CLR P1.0

NOP

SETB P1.0

NOP

MOV C， P1.1 ;將數據讀入C

RLC A

DJNZ R7， R7705-1

MOV @R0， A

INC R0

MOV R7， #08H

DJNZ R1， R7705-1

RET

3.2.4 INT0中斷子程序

INT0中斷子程序為：

; 在中斷子程序中讀取轉換結果

INT0:PUSH ACC ;保護現場

PUSH PSW

SETB RS0 ;選1區工作寄存器

CLR RS1

MOV A， #38H ;1通道數據寄存器

MOV R0， #30H ;設存儲單元首地址

LCALL R7705 ;調讀數據子程序

MOV A， #39H ;2通道數據寄存器

MOV R0， #40H ;設存儲單元首地址

LCALL R7705 ;調讀數據子程序

POP PSW ;恢復現場

POP ACC

RETI ;中斷返回

4 結 語

AD7705以其本身的低價格、高精度、可編程增益、自校準、小信號的轉換不需附加另外的器件，使得其在數據檢測領域具有很大的應用前景。本系統應用AD7705對壓力、位移信號的處理及數據采集，能夠在同一時刻采集到位移、壓力的數值，為數據的處理、分析帶來極大的方便，性能指標達到預期的效果。系統的造價低廉、性價比高、適合于各試驗站的設備改造，與購置同樣功能的新設備相比，每臺可節約2～4萬元資金，更適合于我國的國情。

參 考 文 獻

［1］張峰. 材料試驗機系統的測試自動化［J］.馬鋼科研，1999(1):3340.

［2］敖振浪，李源鴻，譚鑒榮.16位模/數轉換器AD7705及其應用［J］.成都信息工程學院學報，2003(3):281286.

［3］何利民.單片機應用技術選編(9)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［4］陳勇鋼，吳伯農.16位∑Δ模/數轉換器AD7705及其校準［J］.現代電子技術，2006，29(7):124126.

［5］AD7705/AD7706 Data Sheet.Analog Devices.

［6］胡志高.AD7705/06及其應用［J］.電子產品世界，2000(10):3637.

［7］趙佩華.單片機接口技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2005.

作者簡介 劉俊伏 女，1968年出生，碩士、副教授。主要研究方向為計算機控制、機電一體化。