接口复用模拟量采集装置的设计与实现

华　金，　马　帅

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所， 上海 200135)

0　引　言

接口复用模拟量采集装置利用对外接口复用技术，通过旋转拨码开关实现某一类型模拟量的采集。结合实际船用传感器模拟量信号类型，设计开发采集装置具有16路模拟量采集通道，每个通道支持热电偶、三线式热电阻、4～20 mA电流及0～5 V电压等多种类型的模拟量输入，采集数据最终通过控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)现场总线对外传输信息。

1　采集装置的设计

接口复用模拟量采集装置对外接口主要由模拟量输入接口和CAN通信接口组成。其中每路模拟量输入接口配置4个端点(nA，nB，nC和nD)，根据旋转拨码开关位置判断模拟量类型，结合外部接线方式采集模拟量信号，最多能实现16路通道不同类型模拟量信号采集，支持热电偶(0～1 300℃)、三线式热电阻(0～250 ℃)、有源或无源电流(4～20 mA)、电压(0～5 V)等模拟量输入。设计开发的采集装置功能性能指标见表1。

表1　采集装置功能性能指标表

2　硬件设计

模拟量采集装置硬件选用ADS1256∑-Δ数模转换器ADC，该数模转换器内部具有可编程增益放大器PGA，最多可支持4通道差分信号输入，最高采样频率可达30 k sps的特点。 结合外围电路CD4052作为多路选通芯片，最终实现16路模拟量信号采集。选用Cortex-M3内核LPC1778控制器为核心处理单元，通过内嵌串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)控制器与ADC芯片进行数据交互，配置初始化参数，读取每路AD转换结果。简单逻辑运算后，将计算结果通过CAN现场总线形式对外传输。其原理框图见图1。

图1　采集装置原理框图

2.1　CPU

嵌入式微控制器芯片选用Cortex-M3内核的LPC1778控制器，该控制器具有功能强大、功耗低、成本低廉、效率高等优点，最高速率可达120 MHz。片内集成丰富的外设组件，如Flash存储器、RAM存储器、CAN控制器、SPI控制器、以太网控制器、USB控制器及定时器等，无需外接专用芯片即可满足装置的各项功能性能指标。

2.2　CAN接口

LPC1778控制器芯片内部集成2路CAN控制器，在电路设计上采用新一代高速带DC-DC隔离功能(最大电介质隔离电压为2.5 kV)收发芯片ADM3053，即可实现CAN现场总线通信功能，同时芯片隔离系统内、外部电源和信号，可有效抑制外部干扰。

2.3　数据采集接口

模拟量数据采集电路是装置硬件设计的核心部分，其主要功能为CPU通过并行转串行芯片读取每路旋转拨码开关位置，根据拨码开关位置判断模拟量信号类型，然后读取ADC转换结果。模拟量类型对照表及外部接线见表2和图2，数据采集硬件部分电路原理见图3。

表2　模拟量类型对照表

图2　外部接线

2.3.1热电阻输入

将第一路旋转拨码开关J1位置0处，此时J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分别为0b’0000，第一列上、中、下3排单刀、单掷芯片均处于断开状态。

将CD4052的片选脚使能，B=A=0，则

图3　数据采集电路硬件原理图

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：la=lb=0.5 mA；恒流源I、R为Pt100热电阻；r为线阻。

(3)

为合理利用ADC芯片内置PGA，尽量满足Upn的最小值和最大值等幅，设计的热电阻Pt100的测温范围为0～250 ℃，查表可知对应的电阻值为100～194.10 Ω，因此，选取串联1个150 Ω的精密电阻。

2.3.2热电偶输入

将第2路旋转拨码开关J2位置2上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分别为0b’0010，第2列中间排单刀、单掷芯片处于导通状态，其他开关处于断开状态。

将CD4052的片选脚关闭切断恒流源通道， B=0，A=1，则

AINP1=Ub=Utc+

(4)

(5)

考虑到单刀、单掷芯片和自恢复保险丝内阻与ADS1256芯片输入阻抗相差数个数量级，可忽略不计。

(6)

设计的热电偶的测温范围为0～1 300 ℃，合理利用ADC芯片内置PGA，取PGA=64，同时板载一路16位数字温度传感器ADT7310用于冷端补偿。

2.3.3电压输入

将第3路旋转拨码开关J3位置3上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分别为0b’0011，第3列中间排单刀、单掷芯片处于导通状态，其他开关处于断开状态。

将CD4052的片选脚关闭切断恒流源通道， B=1，A=0。

取PGA=1，其他参考热电偶输入，此时两者区别在于电压输入范围为0～5 V信号，而热电偶输入信号为mV信号。

2.3.4无源电流输入

将第4路旋转拨码开关J4位置6上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分别为0b’0110，上、第4列上、中2排单刀、单掷芯片处于导通状态，下排处于断开状态。

将CD4052的片选脚关闭切断恒流源通道， B=1，A=1，则

(7)

式(7)中:110 Ω为采样电阻；r为SPST芯片内阻电阻值约为2 Ω。

合理利用ADC芯片内置PGA，取PGA=2，在不考虑元器件差异性情况下，可在4 mA和20 mA检测电流下标定数据。

2.3.5有源电流输入

将第5路旋转拨码开关J5位置E上，J1_D，J1_C，J1_B和J1_A分别为0b’1110，第5列上、中、下3排单刀、单掷芯片处于导通状态。

将CD4052的片选脚关闭切断恒流源通道， B=0，A=0，则

(8)

nA端口引脚输出24 V接入电流传感器一端，另一端接入nB端口引脚，最终电流回到DC24 V-，其他可参考无源电流输入。

3　软件设计

模拟量采集装置采用基于时间触发设计模式的软件架构编写，通过核心调度器实现最简单的协作式多任务操作系统。系统时钟响应函数(ISR)提供间隔为10 ms的“事件”，核心调度器被“事件”触发后，遍历任务块链表，检索到需被调度执行的任务，并根据任务优先级的先后依次执行。

3.1　主程序

主程序的详细软件流程见图4。

3.2　模拟量采集任务

模拟量采集任务主要功能为根据模拟量信号类型和当前采集通道号合理设置PGA与内部配置参数，定时读取ADS1256内部AD转换结果。详细软件流程见图5。

3.3　报文发送任务

报文发送任务主要功能是根据模拟量信号类型，将读取结果ADC数据类型换算为实际的电压、电流和温度，并结合标定数据保证转换精度，最后组装报文发送。详细软件流程见图6。

图4　主程序流程图

图5　模拟量采集流程

图6　报文发送流程

3.4报文标定任务

报文标定任务主要功能为从CAN现场总线接口接收上位机软件发送的标定报文，再根据模拟量信号类型确认标定数据。详细软件流程见图7。

图7　报文标定流程

4　装置实现与试验

为验证接口复用模拟量采集装置功能、性能指标，将采集装置前5路采集通道类型具体化。第1路通道旋转开关位置为0，热电阻输入，温度为100 ℃时对应阻值为138.5 Ω；第2路通道旋转开关位置为2，热电偶输入，温度为800 ℃时对应幅值为33.275 mV；第3路通道旋转开关位置为3，0～5 V电压输入，幅值为3 V；第4路通道旋转开关位置为6，4～20 mA无源电流输入，幅值为8 mA；第5路通道旋转开关位置为E，4～20 mA有源电流输入，幅值为12 mA；

上位机安装调试软件通过USBCAN模块接收采集装置上传的模拟量信息类型和模拟量数据信息，调试软件可自动识别具体类型，数据解析后显示。在模块极限温度使用条件下(低温-10 ℃和高温55 ℃)，试验数据统计表见表3。

表3　试验数据统计表

试验数据表明，混合复用模拟量采集装置的试验结果中对微弱信号采集时，采集精度会随环境温度细微变化，但误差控制在0.5%以内，可满足工程应用需求。

5　结　语

接口复用模拟量采集装置利用接口复用技术克服单一类型采集技术的缺陷，实现多类型的模拟量信号采集，采集通道最多可达16路，采集数据最终以CAN现场总线通信形式传输数据信息。经试验测试，该装置运行稳定可靠、误差较小，可满足高精度测量条件。

参考文献：

[1]Analog Devices. CN-0287电路笔记[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.