基于PROTEUS的數控恒流源設計與仿真

夏云生， 徐橋松

（中石化管道儲運公司襄陽輸油處， 湖北襄陽 441002）

0 引言

PROTEUS嵌入式系統仿真與開發平臺是由英國Labcenter公司開發的，是嵌入式系統設計與仿真平臺[1]。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。PROTEUS從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。此外，由于PROTEUS 的仿真模型均根據相應器件的技術參數建立，因而其仿真結果極其接近實際，使其已經超越了一般意義的“虛擬仿真”，成為具有現實意義的教學、研發平臺[2-3]。本文采用PROTEUS仿真軟件，利用單片機技術進行了數控恒流源的開發。

1 AT89C52單片機與TLC5615接口電路設計

通常實現數控電流源的首要任務就是實現電壓的受控，一般使用單片機結合D/A轉換器來實現。并行D/A轉換器的引腳多，體積大占用單片機的硬件資源較多，而串行D/A轉換器的體積小,占用單片機的資源少，決定采用美國德州儀器公司推出的串行10位DAC芯片TLC5615，最大功耗為1．75 mW，更新率為1．21 MHz。通過 3 根串行總線就可以完成10 位數據的串行輸入，易于和工業標準的微處理器或微控制器接口,適用于數字失調與增益調整以及工業控制場合。利用PROTEUS v7．5平臺繪制了電路原理圖。本設計中AT89C52與TLC5615的接口電路原理圖如圖1所示。

圖1 AT89C52與TLC5615的接口電路原理圖

其中，U1為單片機AT89C52，U2為TLC5615轉換器，U3～U5為光耦隔離器。光耦隔離器的作用是將電信號進行隔離，同時也易于實現功能電路的模塊化。D1為LM358-1V2高精度電壓基準源。本設計中TLC5615轉換器電壓增益為2，最大輸出電壓為2倍的基準電壓，即2．4 V[4]。

2 TLC5615驅動程序設計

對應Keil環境下的C驅動程序如下：

void TLC5615_Write_12Bits() //定義寫入函數

{ int i;

SCL = 0;

CS = 0;

for(i=0;i＜2;i++) //循2次，發送高兩位；

{ if(gBitMsb) //高位先發；

{ SDA = 1;

SCL = 1;

SCL = 0; }

else

{ SDA = 0;

SCL = 1;

SCL = 0; }

gBitMsb ＜＜= 1;

}

for(i=0;i＜8;i++) //循環八次，發送低八位；

{ if(gBitLsb)

{ SDA = 1;

SCL = 1;

SCL = 0; }

else

{ SDA = 0;

SCL = 1;

SCL = 0; }

gBitLsb ＜＜= 1;

}

for(i=0;i＜2;i++) //循環2次，發送兩個虛擬位；

{ SDA = 0;

SCL = 1;

SCL = 0; }

CS = 1;

SCL = 0;

}

void TLC5615_Start(int16u dacDat)//定義啟動DAC函數

{ dacDat %= 1024;

gBitMsb = dacDat/256;

gBitLsb = dacDat%256;

gBitMsb ＜＜= 6;

TLC5615_Write_12Bits();

}

3 V/I轉換電路設計

圖2是V/I轉換電路原理圖。該電路的主要作用是將D/A轉換器輸出的電壓信號轉化為電流信號。為了能夠輸出恒定的電流信號，運算放大器U1∶A按電流負反饋連接，輸出端驅動NPN三極管具有較高的帶載能力。運算放大器U1∶B按負反饋形式連接，輸出端驅動PNP三極管產生恒流提供給負載[7-8]。

根據運算放大器的電壓虛短和三極管的集電極、發射極電流飽和時近似相等的兩個特性，可以得出以下關系式：

R1、R2和 RS的阻值分別選擇 650 Ω、2 250 Ω和33 Ω。由公式（3）可知，負載電流IL的大小與VU1:A+成正比，其中R1、R2和RS的精度直接影響到輸出電流線性度的好壞，一般實際應用中使用精度較高的金屬膜電阻。

圖2 V/I轉換電路原理圖

4 PROTEUS 軟件仿真波形

在PROTEUS軟件中使用ANALOGUE模擬瞬態分析儀觀察VU1:A+和IL兩個變量。從圖3中的V/I轉換電路輸入輸出波形可以看到, 電壓VU1:A+在0～2．46 V之間線性變化時，負載電流IL在4．44～21．30 mA范圍內呈現出良好的線性關系。根據公式（3），當VU1:A+為2．46 V最大時，計算得出負載最大電流ILMAX為21．56 mA,結合實際觀察和理論分析,可以知道,設計是可行的，可以滿足4～20 mA標準電流信號的輸出。

圖3 V/I轉換電路輸入輸出波形

5 結論

基于PROTEUS仿真軟件進行了數控恒流源的設計和仿真,利用軟件中提供的虛擬分析儀觀察輸入輸出波形,驗證了設計的可行性。據此制作的4～20 mA硬件電路在通用二次儀表開發中得以廣泛應用。

[1] 曹建樹,夏云生,曾林春．51單片機實用教程[M]．北京:中國石化出版社,2008:85．

[2] 吳小花．基于PROTEUS的電子電路設計與實現[J]．現代電子技術,2011,34(15):174-176．

[3] 周靈彬,張靖武．PROTEUS的單片機教學與應用仿真[J]．單片機與嵌入式系統應用,2008(1):76-79．

[4] 陳雷,陳爽．基于PROTEUS的數控恒流源仿真研究[J]．國外電子測量技術,2011,30(2):24-27．

[5] 朱更軍,彭永供．串行10 位D /A 轉換器TLC5615 原理及與DSP 的接口[J]．電子質量,2003(10):12-13．

[6] 李建波,高立新．串行數模轉換器TLC5615的原理及其Proteus仿真設計[J]．福建電腦,2008(10):21．

[7] 趙東波,郭榮幸,趙丙斌．基于單片機的數控直流電流源設計與實現[J]．儀表技術,2008(6): 58-60．

[8] 馬場清太郎,何希才．運算放大器應用電路設計[M]．北京:科學出版社,2009:165-189．