惡劣環境下的高性價比數據採集系統

    隨著單片機在各個領域中的應用越來越廣泛，對其可靠性的要求也越來越高，而其中系統的抗干擾性能就是衡量其可靠性的重要指標.眾所周知，工業環境比較惡劣，時常有強烈的電磁干擾，影響CPU的工作，導致程序不能按正常順序執行，從而造成混亂、失誤或死機.因此必須採取一定的抗干擾措施，否則系統就難以穩定、可靠地運行.
    工業環境中的干擾一般以脈衝形式進入微機系統，渠道主要有3條，即空間干擾、過程通道干擾和供電系統干擾.空間干擾是電磁信號通過空間輻射進入系統的；過程通道干擾是通過與系統相連的前向通道、後向通道及與其它系統的互連通道進入的；供電系統干擾則是電磁信號通過供電線路進入系統的.一般情況下空間干擾的強度很小，供電系統干擾則可以通過採用抗干擾電源來解決，因此微機系統中的難點是防止過程通道干擾.
    抗干擾措施有硬體措施和軟體措施.硬體措施如果得當，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會有少數干擾進入微機系統，故軟體措施作為第二道防線必不可少.軟體正常工作的前提首先是CPU必須正常，雖然CPU不能正常工作時還可以通過watchdog看門狗來複位，但是看門狗頻繁動作將導致系統無法正常工作；此外軟體抗干擾措施是以佔用CPU為代價的，如果沒有硬體消除絕大多數干擾，CPU將疲於奔命，無暇顧及正常工作，嚴重影響系統的工作效率和實時性，因此構建一個成功的抗干擾系統首先必須做好硬體的抗干擾措施，同時注意與軟體相結合.

1 方案的選擇和比較
    本實驗的主要目的就是針對現場環境比較惡劣、各種干擾因素較多的情況，研究一種既能夠有效防止工業環境中的過程通道干擾，又能穩定而準確高速地採集信號、進行A/D轉換，並且性價比又較高的系統.由於被測信號一般是由電力電子裝置產生的，這些裝置在工作時往往會產生很多的高次諧波，此外在測量線路上有時也存在很多大容量的衝擊負載.由這些渠道產生的干擾，都將通過輸入輸出通道竄入到系統內部干擾系統的正常工作.而當外部工作環境比較惡劣時，這些干擾將尤為劇烈，容易導致CPU出現死機，程序跑飛的情況.因此，要切斷這條渠道，使干擾無法通過A/D通道竄進，就要去掉對象與輸入輸出通道之間的電路聯繫，實現彼此電隔離以抑制干擾脈衝.常見的隔離方式有兩種，
    第1種是對模擬量進行隔離，常採用在A/D轉換前加隔離放大器.但是這種方式的每一路成本很高，如果採集通道有很多路，每一路都需要隔離放大器，這樣累計的成本就會更高，而且隔離放大器存在著線性不好，有相對誤差的問題；如果採用線性光隔的方式除了存在上述的誤差之外，還存在零點漂移和精度不高的問題.
    第2種是在A/D轉換后對數字量進行隔離，在輸入輸出通道上採用光電隔離器來進行信息傳輸，從而將微機系統與各種感測器、開關、執行機構從電器上隔離開來，阻擋很大一部分干擾.這種隔離又有2種方案，其一是採用并行輸出的A/D轉換晶元.如果採用這種方式還要額外附加很多外圍器件，如多路開關、鎖存器等，而且由於數據是并行傳輸的所以同樣需要很多的光電隔離器件，造成器件多、系統體積大、可靠性降低，費用高等問題.其二是在電路中採用一種串列輸出、集成度高、解析度滿足要求、價格又相對比較便宜的A/D轉換晶元.這樣就不僅可以保證系統安全可靠地工作，更會大大降低工程所需成本.因此，從這個角度來考慮，在本系統的構建中主要選用TLC2543串列輸出的晶元來完成A/D轉換的功能，選用高速6N137來完成數字量的光電隔離，此外由於TLC2543自帶11個模擬輸入通道，故在電路中還節省了多路開關.

2 主要器件介紹及硬體設計
    A/D模塊採用TI公司的TLC2543 12位串列A/D轉換器，使用開關電容逐次逼近技術實現A/D轉換.由於是串列輸入結構，能夠節省5l系列單片機I/O資源，且價格適中.其特點如下所述：

1.  A/D轉換器有12位解析度；
2.  在工作溫度範圍內轉換時間為10us；
3.  有11個模擬輸入通道；
4.  採用3路內置自測試方式；
5.  採樣率為66 kbps；
6.  線性誤差+1LSB(最大)；
7.  有轉換結束(EOC)輸出；
8.  具有單、雙極性輸出；
9.  有可編程的MSB或LSB前導；
10.  輸出數據長度可以編程設定為8位、12位或16位.

    其晶元引腳排列如圖1.圖中AIN0～AIN10為模擬輸入端；/CS為片選端；Data input為串列數據輸入端；Data out為A/D轉換結果的三態串列輸出端；EOC為轉換結束端；I/O clock為I/O時鐘；REF+為正基準電壓端；REF-為負基準電壓端；VCC為電源；GND為地.其具體硬體電路設計如圖2所示.
 
 
    其中，單片機80C51是整個系統的核心，TLC2543晶元對輸入的模擬信號進行A/D轉換，轉換結果由單片機通過P1.1引腳接收，A/D晶元的通道選擇和方式數據通過P1.3引腳由單片機寫入TLC2543晶元，高速6N137晶元只需75 ns的延遲時間，用來對輸入輸出數據進行光電隔離，74LS32晶元完成功率驅動的功能.

3 軟體流程
這一系統的軟體流程圖如圖3所示.
 
    TLC2543串列A/D轉換器採用的是SPI介面，SPI(serial peripheral interface)即串列外圍介面，是由motorola制定的一種串列介面規範，它可以在一個微控制器與一個或多個微控制器之間或硬體邏輯外圍電路之間實現同步通訊.它無須了解設備使用的協議、封裝形式和模式/控制位，而只須給出收發數據線、同步時鐘線和片選線即可方便地在兩個或多個設備之間實現數據的收發，至於上層協議則留給用戶和其軟體來設置.因此，使用這個介面可以很便利地實現外部設備間的同步通訊.但是80C51微控制器一族並沒有提供SPI外圍介面，因此，為了實現與TLC2543A/D轉換器的SPI數據通訊，採用軟體來同步SPI操作.此外對於輸入信號上存在的干擾，也可以通過數字濾波的方式由軟體來消除.

4 部分實驗數據及成本估算
    測試單通道數據時，滿量程電壓取為5 V，通過調節變換與通道直接相連的電位器的電壓，測得的數據如表1所示.
 
    從表中的對比可以看出，測得的數據的準確率是非常高的.此外採用本方案，串列採集11個通道的模擬量的成本合計也只需70元左右.而如果採用前文提到過的其它方案，則每採集一個通道的模擬量就需90多元，因而本方案既保證了採集數據的準確性，又大大地節省了工程的成本，有很好的應用前景.

5 結束語
    文中由串列A/D轉換晶元構成的數據採集系統的硬體和軟體均經過了運行調試，證明其確實能夠有效地防止工業環境中的過程通道干擾，可靠性高、運行穩定，而且成本很低，具有很大的實用性和參考價值，並且已經被製作成採集器應用到鐵路信號電源監測系統中.