基于dsPIC30F的高精度數(shù)據(jù)采集器的研制

引 言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求日益提高，采集精度、抗干擾能力和操作安裝的簡易與否成為人們采集數(shù)據(jù)時關注的主要問題，這使得高精度的數(shù)據(jù)采集技術成為關鍵。

　　基于單片機或其他系列DSP的數(shù)據(jù)采集器，受芯片功能和結(jié)構的限制，硬件設計中往往需要較多的外圍電路，導致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對復雜，使數(shù)據(jù)采集器的可靠性和抗干擾能力受到極大的限制。基于dsPIC30F系列數(shù)字信號控制(DSC)芯片，采用高精度、低噪聲、22位分辨率的新型Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器MCP3551的高精度數(shù)據(jù)采集器，具有數(shù)據(jù)精度高、芯片集成度高、開發(fā)方便等特點。

　　Microchip公司推出的dsPIC30F系列芯片是一款將單片機與DSP技術相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號控制器。以16位單片機為核心的dsPIC30F系列芯片不僅具有功能強大的外圍設備和快速中斷處理能力，同時還融合了可進行高速計算的數(shù)字信號處理器。此外，它在異常事件處理、軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強大的性能。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，因此基于dsPIC30F平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)采集器僅需要很少的外設。不但裝置的抗干擾性和可靠性能夠滿足數(shù)據(jù)采集器在各種環(huán)境下運行的要求，而且可以提升系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，主要由模擬信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和485通信電路等構成。信號進入A/D轉(zhuǎn)換器之前要進行處理，模擬信號處理是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一，設計時考慮信號質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變。設計時在調(diào)理電路中采用電位器微調(diào)，穩(wěn)壓管限制輸入量程。在A/D轉(zhuǎn)換電路中采用Microchip公司的MCP3551芯片采樣并轉(zhuǎn)換信號，它以三線的SPI方式和dsPIC30F微處理器聯(lián)接。dsPIC30F微處理器控制A/D采樣轉(zhuǎn)換，并通過顯示電路數(shù)碼管顯示輸出及RS485與計算機通信。輸入信號為0~30mA的電流信號，經(jīng)過調(diào)理電路的處理，進入MCP3551E的輸入端的差分信號幅度范圍為0～3V，同時信噪比高。A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，本系統(tǒng)采用Microchip公司的MCP3551芯片。該芯片使用Δ-Σ轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)最高22位的無丟失碼數(shù)據(jù)輸出，其有效分辨率為21.9位，轉(zhuǎn)換精度高，功率消耗低。

系統(tǒng)硬件設計

　　高精度數(shù)據(jù)采集器以dsPIC30F2010芯片為核心，硬件結(jié)構圖如圖2所示。首先，由于dsPIC30F2010為16位數(shù)字信號控制器，其強大的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力使得dsPIC30F2010能夠單獨完成數(shù)據(jù)處理、控制、通信、人機接口等功能，減少了芯片數(shù)量，簡化了硬件結(jié)構。其次，由于dsPIC30F2010內(nèi)部集成了許多必需的外圍器件，如RAM、FLASH、EEPROM、USART、MSSP等，使得所需外圍擴展電路很少，進一步簡化了硬件結(jié)構。從圖2可以看出，本裝置的硬件結(jié)構非常簡單，極大地提高了數(shù)據(jù)采集器的實時顯示性及抗干擾性。

A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊設計

　　A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊采用MCP3551，它是一種高精度、低噪聲、寬動態(tài)范圍并采用單2.7V~5.5V電源供電的單通道22位分辨率Δ-Σ的A/D轉(zhuǎn)換器，可在擴展溫度范圍（-40oC~+125oC）條件下工作，方便地測量低頻低電壓信號。

　　輸入信號為0~30mA電流，經(jīng)過調(diào)理電路的精密電阻R3把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，進入MCP3551的輸入端的差分信號幅度范圍為0~+3V的電壓。電阻R4和電位器RP1并聯(lián)構成微調(diào)電路。電阻R2為限流電阻。二極管D1、穩(wěn)壓管D2及電阻R5構成量程限制電路，當輸入信號的幅值超過+5V，則二極管D1導通把信號限制在+5V，對后面的電路起保護作用。dsPIC30F微處理器的RB0、SDI和SCK引腳分別與MCP3551的片選端{C}halfnote_{}^{-}{S}halfnote_{}^{-} 、數(shù)據(jù)輸出端SDO和串行時鐘輸入端SCK相連。RB0控制著轉(zhuǎn)換的啟動。轉(zhuǎn)換狀態(tài)由SDO/ R{D}halfnote_{}^{-}{Y}halfnote_{}^{-}引腳輸出，在RB0為低電平時通過檢測SDI獲得。SDI引腳的高電平狀態(tài)表示器件正在進行轉(zhuǎn)換，而低電平狀態(tài)則表示轉(zhuǎn)換完成。同時使用SCK傳輸已準備就緒的數(shù)據(jù)。

　　在實際的測量中，參考電源是影響MCP3551采集精度的重要因素之一。為了減小其影響，參考電源必須穩(wěn)定、噪聲小。因此，使用REF3125作+2.5V電壓的穩(wěn)壓芯片，以及利用外圍電容的濾波作用進一步減少電壓波動對MCP3551的影響。

RS485串行通信模塊設計

　　RS485串行通信模塊通過MAX485芯片進行信號收發(fā)。主控機處于遠程控制室，所受干擾小，因此用MAX485芯片完成數(shù)據(jù)通訊功能。而傳輸分站工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，干擾較大，因此dsPIC30F微處理器和MAX485之間采用光電隔離。MAX485是半雙工通訊芯片，其收發(fā)狀態(tài)由dsPIC30F微處理器的RB4引腳控制。當RB4置低電平時，DE連接的二級管導通，使信號輸入端DI 連接的二級管正端電壓較低，二級管截止，發(fā)送器不工作，芯片成為RS485接收器。差分信號由A、B輸入，由接收器輸出反向端RO輸出反向信號，經(jīng)光電隔離到dsPIC30F微處理器的RXD引腳，完成接收過程。當RB4置高電平時，DE連接的二級管截止，使得輸入端DI連接的二級管正端電壓較高，此二級管的通斷由DI 輸入端電平高低決定，芯片成為RS485發(fā)送器。信號由dsPIC30F微處理器的TXD引腳發(fā)出，經(jīng)光電隔離，從DI輸入，由A、B口輸出RS485差分信號，完成發(fā)送過程。另外，由于dsPIC30F微處理器能夠輸出20mA以上的電流，因此，在dsPIC30F微處理器和MAX485的控制連接線路和發(fā)送接收連接線路中，可以不加邏輯門電路。

LED顯示模塊設計

　　LED顯示模塊采用串行接口的8位數(shù)碼管顯示驅(qū)動器MAX7219。它具有10MHz傳輸率的三線串行接口與dsPIC30F微處理器相連，最多可驅(qū)動8個共陰數(shù)碼管或64個發(fā)光二極管。其內(nèi)部有可存儲顯示信息的8×8靜態(tài)RAM、動態(tài)掃描電路以及段、位驅(qū)動器。MAX7219的數(shù)據(jù)輸入主要由三根輸入線完成。它們分別是串行數(shù)據(jù)線DIN、加載線LOAD與時鐘線CLK，分別和dsPIC30F微處理器的RB1、RB2與RB3引腳相連。串行數(shù)據(jù)是以16 位數(shù)據(jù)包的形式從DIN 腳串行輸入，在CLK的每一個上升沿逐位送入芯片內(nèi)部，LOAD腳在第16個CLK上升沿出現(xiàn)的同時或者之后但在下一個CLK上升沿到達之前，對輸入的數(shù)據(jù)進行鎖存，否則送入的數(shù)據(jù)將丟失。

系統(tǒng)軟件設計

　　軟件在Microchip公司的MPLAB IDE可視化集成開發(fā)環(huán)境下運行，使用C30編譯器編寫。MPLAB IDE提供了方便且功能豐富的界面，其中C30編譯器提供了C語言的標準特性。高精度數(shù)據(jù)采集器的軟件主要完成A/D轉(zhuǎn)換、LED顯示和RS485通信功能。

　　主程序流程圖如圖3所示。首先，配置PIC微處理器的SPI端口為在時鐘下降沿時，MCP3551輸出數(shù)據(jù)，在時鐘上升沿時鎖存數(shù)據(jù)。然后配置MCP3551在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式方式下工作，上電令RB0為低電平輸出，即{C}halfnote_{}^{-}{S}halfnote_{}^{-} 為低電平，并一直維持。然后查詢SDI引腳的電平狀態(tài)，如果SDI引腳為低電平，則讀取接收緩沖器SPI1BUF的數(shù)據(jù)，如果SDI引腳為高電平，則繼續(xù)查詢。然后通過LED顯示輸出及通過RS485通信程序與PC機通信。

　　RS485通信采用dsPIC30F微處理器的USART串口接口，以串口中斷的方式通信。串口中斷設定為最高中斷優(yōu)先級，使能接收中斷，禁止發(fā)送中斷。波特率發(fā)生器的值由公式U1BRG=FCY/(16×波特率)?1計算得到，其中FCY為指令周期時鐘頻率，波特率選擇9600bps，通過接收器和發(fā)送器進行數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)束語

　　本文介紹的基于dsPIC30F的高精度數(shù)據(jù)采集器，利用了高精度、低噪聲、22位分辨率的新型Δ-Σ的A/D轉(zhuǎn)換器MCP3551進行數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了dsPIC30F微處理器與PC機的RS485通信功能，并能夠通過LED顯示輸出。按照此方案設計的系統(tǒng)成功應用于傳感器校驗系統(tǒng)中。實際的調(diào)試和運行表明，此數(shù)據(jù)采集器可在擴展溫度范圍（-40oC~+125oC）條件下工作，方便地測量低頻低電壓信號，它精度高、抗干擾能力強、體積小，能達到6位半LED顯示輸出，具有很強的實用價值。