接口復用模擬量采集裝置的設計與實現

華　金，　馬　帥

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

0　引　言

接口復用模擬量采集裝置利用對外接口復用技術，通過旋轉撥碼開關實現某一類型模擬量的采集。結合實際船用傳感器模擬量信號類型，設計開發采集裝置具有16路模擬量采集通道，每個通道支持熱電偶、三線式熱電阻、4～20 mA電流及0～5 V電壓等多種類型的模擬量輸入，采集數據最終通過控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)現場總線對外傳輸信息。

1　采集裝置的設計

接口復用模擬量采集裝置對外接口主要由模擬量輸入接口和CAN通信接口組成。其中每路模擬量輸入接口配置4個端點(nA，nB，nC和nD)，根據旋轉撥碼開關位置判斷模擬量類型，結合外部接線方式采集模擬量信號，最多能實現16路通道不同類型模擬量信號采集，支持熱電偶(0～1 300℃)、三線式熱電阻(0～250 ℃)、有源或無源電流(4～20 mA)、電壓(0～5 V)等模擬量輸入。設計開發的采集裝置功能性能指標見表1。

表1　采集裝置功能性能指標表

2　硬件設計

模擬量采集裝置硬件選用ADS1256∑-Δ數模轉換器ADC，該數模轉換器內部具有可編程增益放大器PGA，最多可支持4通道差分信號輸入，最高采樣頻率可達30 k sps的特點。 結合外圍電路CD4052作為多路選通芯片，最終實現16路模擬量信號采集。選用Cortex-M3內核LPC1778控制器為核心處理單元，通過內嵌串行外設接口(Serial Peripheral Interface,SPI)控制器與ADC芯片進行數據交互，配置初始化參數，讀取每路AD轉換結果。簡單邏輯運算后，將計算結果通過CAN現場總線形式對外傳輸。其原理框圖見圖1。

圖1　采集裝置原理框圖

2.1　CPU

嵌入式微控制器芯片選用Cortex-M3內核的LPC1778控制器，該控制器具有功能強大、功耗低、成本低廉、效率高等優點，最高速率可達120 MHz。片內集成豐富的外設組件，如Flash存儲器、RAM存儲器、CAN控制器、SPI控制器、以太網控制器、USB控制器及定時器等，無需外接專用芯片即可滿足裝置的各項功能性能指標。

2.2　CAN接口

LPC1778控制器芯片內部集成2路CAN控制器，在電路設計上采用新一代高速帶DC-DC隔離功能(最大電介質隔離電壓為2.5 kV)收發芯片ADM3053，即可實現CAN現場總線通信功能，同時芯片隔離系統內、外部電源和信號，可有效抑制外部干擾。

2.3　數據采集接口

模擬量數據采集電路是裝置硬件設計的核心部分，其主要功能為CPU通過并行轉串行芯片讀取每路旋轉撥碼開關位置，根據撥碼開關位置判斷模擬量信號類型，然后讀取ADC轉換結果。模擬量類型對照表及外部接線見表2和圖2，數據采集硬件部分電路原理見圖3。

表2　模擬量類型對照表

圖2　外部接線

2.3.1熱電阻輸入

將第一路旋轉撥碼開關J1位置0處，此時J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0000，第一列上、中、下3排單刀、單擲芯片均處于斷開狀態。

將CD4052的片選腳使能，B=A=0，則

圖3　數據采集電路硬件原理圖

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：la=lb=0.5 mA；恒流源I、R為Pt100熱電阻；r為線阻。

(3)

為合理利用ADC芯片內置PGA，盡量滿足Upn的最小值和最大值等幅，設計的熱電阻Pt100的測溫范圍為0～250 ℃，查表可知對應的電阻值為100～194.10 Ω，因此，選取串聯1個150 Ω的精密電阻。

2.3.2熱電偶輸入

將第2路旋轉撥碼開關J2位置2上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0010，第2列中間排單刀、單擲芯片處于導通狀態，其他開關處于斷開狀態。

將CD4052的片選腳關閉切斷恒流源通道， B=0，A=1，則

AINP1=Ub=Utc+

(4)

(5)

考慮到單刀、單擲芯片和自恢復保險絲內阻與ADS1256芯片輸入阻抗相差數個數量級，可忽略不計。

(6)

設計的熱電偶的測溫范圍為0～1 300 ℃，合理利用ADC芯片內置PGA，取PGA=64，同時板載一路16位數字溫度傳感器ADT7310用于冷端補償。

2.3.3電壓輸入

將第3路旋轉撥碼開關J3位置3上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0011，第3列中間排單刀、單擲芯片處于導通狀態，其他開關處于斷開狀態。

將CD4052的片選腳關閉切斷恒流源通道， B=1，A=0。

取PGA=1，其他參考熱電偶輸入，此時兩者區別在于電壓輸入范圍為0～5 V信號，而熱電偶輸入信號為mV信號。

2.3.4無源電流輸入

將第4路旋轉撥碼開關J4位置6上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’0110，上、第4列上、中2排單刀、單擲芯片處于導通狀態，下排處于斷開狀態。

將CD4052的片選腳關閉切斷恒流源通道， B=1，A=1，則

(7)

式(7)中:110 Ω為采樣電阻；r為SPST芯片內阻電阻值約為2 Ω。

合理利用ADC芯片內置PGA，取PGA=2，在不考慮元器件差異性情況下，可在4 mA和20 mA檢測電流下標定數據。

2.3.5有源電流輸入

將第5路旋轉撥碼開關J5位置E上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分別為0b’1110，第5列上、中、下3排單刀、單擲芯片處于導通狀態。

將CD4052的片選腳關閉切斷恒流源通道， B=0，A=0，則

(8)

nA端口引腳輸出24 V接入電流傳感器一端，另一端接入nB端口引腳，最終電流回到DC24 V-，其他可參考無源電流輸入。

3　軟件設計

模擬量采集裝置采用基于時間觸發設計模式的軟件架構編寫，通過核心調度器實現最簡單的協作式多任務操作系統。系統時鐘響應函數(ISR)提供間隔為10 ms的“事件”，核心調度器被“事件”觸發后，遍歷任務塊鏈表，檢索到需被調度執行的任務，并根據任務優先級的先后依次執行。

3.1　主程序

主程序的詳細軟件流程見圖4。

3.2　模擬量采集任務

模擬量采集任務主要功能為根據模擬量信號類型和當前采集通道號合理設置PGA與內部配置參數，定時讀取ADS1256內部AD轉換結果。詳細軟件流程見圖5。

3.3　報文發送任務

報文發送任務主要功能是根據模擬量信號類型，將讀取結果ADC數據類型換算為實際的電壓、電流和溫度，并結合標定數據保證轉換精度，最后組裝報文發送。詳細軟件流程見圖6。

圖4　主程序流程圖

圖5　模擬量采集流程

圖6　報文發送流程

3.4報文標定任務

報文標定任務主要功能為從CAN現場總線接口接收上位機軟件發送的標定報文，再根據模擬量信號類型確認標定數據。詳細軟件流程見圖7。

圖7　報文標定流程

4　裝置實現與試驗

為驗證接口復用模擬量采集裝置功能、性能指標，將采集裝置前5路采集通道類型具體化。第1路通道旋轉開關位置為0，熱電阻輸入，溫度為100 ℃時對應阻值為138.5 Ω；第2路通道旋轉開關位置為2，熱電偶輸入，溫度為800 ℃時對應幅值為33.275 mV；第3路通道旋轉開關位置為3，0～5 V電壓輸入，幅值為3 V；第4路通道旋轉開關位置為6，4～20 mA無源電流輸入，幅值為8 mA；第5路通道旋轉開關位置為E，4～20 mA有源電流輸入，幅值為12 mA；

上位機安裝調試軟件通過USBCAN模塊接收采集裝置上傳的模擬量信息類型和模擬量數據信息，調試軟件可自動識別具體類型，數據解析后顯示。在模塊極限溫度使用條件下(低溫-10 ℃和高溫55 ℃)，試驗數據統計表見表3。

表3　試驗數據統計表

試驗數據表明，混合復用模擬量采集裝置的試驗結果中對微弱信號采集時，采集精度會隨環境溫度細微變化，但誤差控制在0.5%以內，可滿足工程應用需求。

5　結　語

接口復用模擬量采集裝置利用接口復用技術克服單一類型采集技術的缺陷，實現多類型的模擬量信號采集，采集通道最多可達16路，采集數據最終以CAN現場總線通信形式傳輸數據信息。經試驗測試，該裝置運行穩定可靠、誤差較小，可滿足高精度測量條件。

參考文獻：

[1]Analog Devices. CN-0287電路筆記[EB/OL]. (2014-2-10)[2017-10-15].http://www.analog.com.

[2]PONT M J. Patterns of Time-Triggered Embedded Systems[M].New Jersey: Addison-Wesley Professional,2001.