提高多路非直流量A／D數據采集時間的一種方法

盧秀和， 陳 楠， 王艷雙

（長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

A／D轉換是PIC18F4520單片機一個主要的組成模塊，由于單片機只能對數字量進行識別，這時就需要設置一種模擬接口，用于把連續不斷的模擬量轉換成一系列不連續的、離散的數字信號，以方便對所需監控的狀態進行讀取［1］。

PIC18F4520單片機的A／D模塊為10位A／D，占用兩個數據存儲器，即低地址的8位和高地址的低2位［2］。

這樣看來，如果所采集的信號為直流信號時，就會轉換出相同的數字量，反之，當采集的信號為非直流信號時，就會轉換出不同的數字量。由于一些系統需要對一些非直流信號進行實時的監控，這樣就無形中加大了對單片機的工作約束。文中提出一種相對于傳統對順序多路非直流信號采集時的方法——循環中斷式采集。這種方法相對于傳統的方法，降低了單片機對執行程序時間的要求，同時提高了采集精度。

A／D采集運用到剩余電流探測器（電器火災監控探測器的一種，通常含有四路A／D采集信號）中，如果采用常規順序A／D采集方法，不僅加大了PIC18F4520單片機對程序執行時間的要求，同時還降低了系統的精度。采用循環中斷式采集方法時，相對于常規方法來說，不僅降低了程序執行的時間，同時加大了系統的精度。

1 逆變系統多路非直流采集信號

1.1 系統簡介

通過分立式剩余電流探頭分別檢測出四路剩余電流，接入機器的四路輸入，然后對每路電流進行整流，運用單項橋式整流電路，去掉四路信號中小于0的波形，然后送入運算放大器中進行放大，同時完成了把電流信號轉換成電壓信號進行采集，將輸出的電壓信號傳入PIC18F4520單片機中進行采集。放大電路如圖1所示［3－4］。

圖1 模擬輸入信號處理電路

由于PIC18F4520單片機內部的A／D模塊供電電壓為5V，因此，在設計此電路時必須保證運算放大器輸出到A／D接口的波形最大值不得超于5V，否則導致單片機燒毀。

1.2 搭建硬件電路的系統

搭建硬件電路的系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

1.3 四路A／D采集波形

通過示波器測量，四路波形如圖3和圖4所示。

圖3 第一路A／D波形

圖4 后三路A／D波形

從圖中可以看出，所采集的波形周期為20ms，四路 A／D 的平均值分別為230，73，73，73mV。為了提高精度，設置一周期采集的點數為64點，這樣要求系統在完成一次完整的循環時間（包括四路A／D數據處理時間與系統其它程序執行時間）為20ms／64＝312μs，系統要求對四路模擬量進行采集，而且要求必須是實時監控。

PIC18F4520采用的A／D電壓為內部電壓，即5V，為10位 A／D，A／D數據換算公式［5］:

分別把230mV，73mV代入式（1），得到四路 A／D采集數據為:47，14，14，14，轉化成十六進制數為0x002F，0x000E，0x000E，0x000E。

2 編程思路

主要介紹用到的兩種濾波程序。為了進一步提高A／D采集精度，運用了3點去壞值和滑動平均值濾波兩種濾波程序［6］。

3點去壞值:在定時器定時312μs的時間內，對所采集的模擬信號連續采集3個數據，然后進行3個數據的比較，去掉最大值與最小值，留下中間值作為本次采集所得值，然后將此數據送入滑動平均值濾波區，進行滑動平均值濾波［7］。

滑動平均值濾波:對四路A／D分別在數據存儲器中開啟占有64個12位的數據存儲區，把經過3點去壞值的數據放入此存儲區內，當放滿64個數據后，算出此時的平均值，作為模擬輸入量的平均值，然后當下一個經過3點去壞值的數據來之前，對濾波存儲區內的數據進行循環左移，即把第1個數據去除，第2個數據賦值給第1個，以此類推，最終把第64個數據賦值給63，然后把此時經過3點去壞值的數據賦值給第64位，以后當每次采集得到數據時，都經過此方法進行循環左移。算出每次濾波區的平均值即可［8］。

為了更加準確地證明相對于常規順序采集方法，文中提出的循環中斷式采集方法能夠更加準確地采集模擬信號，對兩種方法都進行了編寫相應的實驗程序。

3 常規順序A／D采集方法

簡單的理解方法就是，當采集完第一路A／D模擬量時，馬上開始對第二路A／D數據進行采集，依次類推第三路與第四路。系統采集流程圖如圖5所示。

圖5 常規順序A／D采集方法流程圖

從圖中可以看出，此方法要求四路A／D的采集時間與數據處理時間要求在一次定時器定時之內完成，這樣就可能出現程序執行過程時間過長，大于定時器定時時間，導致不能正確采集四路模擬量，從而不能得到正確的數字量。

經過編寫相應的實驗程序發現，如果采集點數為64點系統無法得到正確的平均值，為了能得到正確的平均值，只好減少點數，這樣才能在規定的時間內完成系統程序，直到減少到16點后，才得以成功，這樣就要求定時器定時為20ms／16＝1.25ms。系統采集數據見表1。

從數據的變化可以看出，完全符合波形變化。但是此種方法由于采樣點數的減少，從而加大了誤差，而且對時間的要求非常嚴格。

通過采集的數據可以得到平均值為0x002A，0x000B，0x000B，0x000A，對應的十進制為42，11，11，10，相對于測得的數據47，14，14，14，可以算出誤差比例為10%，21%，21%，38%。

表1 常規順序A／D采集所得數據

4 循環中斷式采集方法

本方法是在系統采集完一路A／D模擬量之后，進行A／D數據處理程序與系統其它程序的執行，在第二次進入定時器中斷后，開始對第二路A／D模擬量的采集，以此類推第三路與第四路。系統采集流程如圖6所示。

圖6 循環中斷式采集流程圖

從圖中可以看出，此方法只需要求對一路A／D采集時間與數據處理時間在一次定時器定時之內完成，不管采集的模擬量為四路或者更多，都不會影響系統對時間的嚴格要求。

經過編寫相應的實驗程序，可以得到正確的平均值，由于采集點數為64點，從而加大了精確度。系統采集數據見表2。

表2 循環中斷采集所得數據

通過采集的數據可以得到平均值為0x002E，0x000E，0x000E，0x000D，對應的十進制為46，14，14，13，相對于測得的數據47，14，14，14，可以算出誤差比例為2%，0，0，7%。

5 兩種方法的快速性比較

通過兩種實驗對比，可以得到一些性能指標參數的對比數據，見表3［8］。

表3 兩種方法參數對比

6 結 語

經過實驗驗證，相比于傳統的實驗方法，文中提出的循環中斷式采集方法在占機時間上為常規方法的1／4，為系統執行其它程序釋放了相當大的時間，在使用PIC18F4520單片的程序存儲器少于常規方法，同時提高了系統的采集精度［9］。運用到剩余電流檢測器中，保證了機器本身更加準確的運行、及時的報警以及相應的處理工作。

［1］ 宋大維，崔友，孫鵬遠，等.基于 RS-485總線的高壓設備智能試驗臺［J］.長春工業大學學報:自然科學版，2003，24（4）:56-58.

［2］ 劉啟中，李榮正，王力生，等.PIC單片機原理及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［3］ 勒孝峰.模擬電子技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［4］ 林渭勛.現代電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］ W·H·高斯曼.數字電子學［M］.李昔.譯.北京:國防工業出版社，1985.

［6］ 劉和平.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［7］ 明日科技，王娣，安劍，等.C語言程序開發范例寶典［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［8］ 龍宏波，葉曉慧，譚思煒.歸一化加權平均值算法在測量中的應用［J］.電光與控制，2010，17（12）:2-3.

［9］ 李頡，呂強中.PIC單片機A／D轉換數據存儲及串口效率［J］.機械工程與自動化，2006（3）:5-6.