一種基于單片機(jī)管腳充放電技術(shù)的低成本A/D轉(zhuǎn)換方法的研究

摘 要:對于不同分辨率采樣模擬信號的要求，提出一種使用單片機(jī)管腳采樣模擬信號的技術(shù)，使之能適應(yīng)不同分辨率要求的產(chǎn)品，從而代替價(jià)格昂貴的AD轉(zhuǎn)換芯片及單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換器，文中給出了采用單片機(jī)管腳采樣模擬信號技術(shù)的一個(gè)實(shí)例，得到了較好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞:分辨率 AD轉(zhuǎn)換 采樣

中圖分類號:TP文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0002-02

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度。單片機(jī)集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率決定能解析的精度，但A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率與其成本成正比，擁有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)芯片，除價(jià)格昂貴外且不能根據(jù)實(shí)際需要提高分辨率。針對于A/D轉(zhuǎn)換器的上述不足，本文提出一種使用單片機(jī)管腳充放電采樣模擬信號的技術(shù)，使之能適應(yīng)不同分辨率要求的產(chǎn)品，從而代替價(jià)格昂貴的AD轉(zhuǎn)換芯片及單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換器。

1 基本原理

1.1 充放電技術(shù)

在用普通I/O腳去測量電阻值時(shí)，需要對管腳的輸入輸出功能提出一定的要求，輸入管腳不能是施密特觸發(fā)型，輸入電平的高低判別是基于一門限電平。線路連接可以參考圖1所示。其中Rt1為待測的熱敏電阻，Rs為阻值已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻，且具備良好的溫度特性(阻值基本不隨溫度變化而變化)，Rp為一用作限流保護(hù)的小電阻。

整個(gè)電路是基于RC充放回路的工作原理，把電阻值轉(zhuǎn)化成對電容充電的時(shí)間值，并通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能得到該時(shí)間值。文獻(xiàn)[1][2]中對管腳充放電原理進(jìn)行了分析。單片機(jī)用固定的時(shí)間間隔去采樣管腳上的電平變化情況，若得到低電平，也就是說在電容上的電壓還沒有充到門限電壓，就持續(xù)采樣過程，并對采樣次數(shù)作累計(jì)，一直到讀回的信號為“1”，然后，再把電容上的電壓放完，根據(jù)不同的計(jì)數(shù)值可以方便設(shè)定相應(yīng)的分辨率，以滿足不同產(chǎn)品的需求。如圖2所示，是單片機(jī)一次采樣流程圖。如果RC的時(shí)間常數(shù)足夠大，可以認(rèn)為充電曲線近似為線性的，如圖3所示，由此，可以得到

Rt1=(Tm/Ts)*Rs (1)

式中，Ts=參考電壓通過Rs對電容充電的時(shí)間

Tm=參考電壓通過Rt1對電容充電的時(shí)間。

電阻和電容值的選擇很大程度上取決于整個(gè)測量過程所要求的速度和測量分辨率(位數(shù))。標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的值一般為最大測量電阻的一半，電容可以通過如下公式計(jì)算:

C= (2)

式中，T=完成額定位數(shù)的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間

Rm=最大可能的測量電阻

Vs=高低電平判別門限

Vr=參考電壓

實(shí)際選用的電容值應(yīng)比計(jì)算機(jī)所得稍小，以確保在測量最大電阻阻值的計(jì)數(shù)不會(huì)溢出。在單片機(jī)的應(yīng)用中，如果有Rm=200K，Vr=5V，Vs=3V，Rs=100K，8MHz振蕩頻率，每次采樣計(jì)數(shù)花6個(gè)指令周期，需要有8位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，則:T=256計(jì)數(shù)*1/8MHz*4振蕩周期/指令周期*6指令周期/采樣=68uS，可得C=4200pF，實(shí)際可選用3900pF。

1.2 數(shù)據(jù)處理

通過上述方法的輸入實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采樣，存在很多非線性因素，對實(shí)際信號的顯示帶來一定偏差，文獻(xiàn)[3][4]中對采樣所得信號的非線性因素已有詳細(xì)介紹，在對信號的線性化、濾波等處理上，本文采用以下兩種方法。

線性化是傳感器中比較常見的問題，通過對微單片機(jī)所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理可以消除其非線性因素，一般可以通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)——查表法與內(nèi)部插補(bǔ)法，文獻(xiàn)[5][6]中對查表法已作詳細(xì)介紹。價(jià)格比較低廉的單片機(jī)其內(nèi)部存儲(chǔ)空間相對比較小，所以對信號的線性化處理使用內(nèi)部插補(bǔ)法，以適應(yīng)有限的存儲(chǔ)資源。采用插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)采樣信號的線性化，將采樣所得到的曲線看成一系列的節(jié)點(diǎn)用直線連接在一起，因此只需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的首尾數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，大大節(jié)約了存儲(chǔ)空間，具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

Kn= (3)

Y=Yn+(X-Xn)*Kn (4)

式中，X=采樣獲得的數(shù)據(jù)，n=節(jié)點(diǎn)位置，Xn、Yn=節(jié)點(diǎn)輸入、輸出值，Y=計(jì)算輸出的結(jié)果。

如果存儲(chǔ)空間允許，可以把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的斜率比值預(yù)先存入單片機(jī)中，通過查表獲取以提高計(jì)算速度。

通過充放電技術(shù)得到的AD數(shù)據(jù)毫無疑問存在外界的干擾，需要通過濾波方法除去。在微單片機(jī)中比較容易實(shí)現(xiàn)的方法是滑動(dòng)平均濾波法，具體為把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)。把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2 采用本方案后取得的實(shí)效

圖4所示，是紹興光彩顯示技術(shù)有限公司于08年前7個(gè)月內(nèi)，制作的飲水機(jī)控制板產(chǎn)品銷售量及成本分析圖，該公司第一個(gè)月制作飲水機(jī)控制板，使用的方法是帶AD轉(zhuǎn)換功能單片機(jī)芯片來采樣溫度，后面幾個(gè)月是采用本方案技術(shù)來采樣溫度，從圖中顯示看出，采用新的技術(shù)方案后，生產(chǎn)成本下降了很多，為公司獲得較大的利潤。

3 結(jié)語

本文提出的使用單片機(jī)管腳充放電技術(shù)采樣模擬信號替代AD轉(zhuǎn)換模塊，在理論與實(shí)際應(yīng)用中是可行的，對于一些功能相對簡單的產(chǎn)品使用本技術(shù)更充分體現(xiàn)該方案的優(yōu)越性。使用本技術(shù)能在保證質(zhì)量前提下適應(yīng)各種分辨率產(chǎn)品的要求。當(dāng)然使用上述討論的技術(shù)也存在一定的缺陷，AD轉(zhuǎn)換的速度跟充放電電容大小有一定關(guān)系，電容設(shè)置越大會(huì)增加轉(zhuǎn)換時(shí)間。但對于一般家電產(chǎn)品，本文技術(shù)中所提到的轉(zhuǎn)換速度足夠使單片機(jī)完成一次完整的采樣。

參考文獻(xiàn)

[1]張明峰．PIC單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]劉鐵兵，湯黎明，凌剛．高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9057的原理與應(yīng)用．國外電子元器件，2006.

[3]吳小花，曹薇，陳吉芳．提高A/D轉(zhuǎn)換速度的方法．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004.

①作者簡介:徐利軍，男，1963年生，工程師，紹興市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院建材部項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。