基于CS5550的工業(yè)測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)行工控儀表的種類(lèi)繁多、功能各異、專(zhuān)用性強(qiáng)等問(wèn)題，本文介紹了一種高精度、多用途的智能工業(yè)測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)采用CS5550高性能A/D轉(zhuǎn)換芯片，以單片機(jī)作為系統(tǒng)控制中心，實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)的采集與變換。詳細(xì)介紹了電壓、電流、電阻信號(hào)采集測(cè)量電路的原理。該系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各類(lèi)微弱信號(hào)的采集與變換。
關(guān)鍵詞：CS5550A／D轉(zhuǎn)換器；測(cè)量?jī)x表；函數(shù)指針

0 引言
??? 現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量?jī)x表以單片機(jī)為核心，具有數(shù)字顯示、開(kāi)關(guān)量輸出、超限報(bào)警和通信等功能。用于測(cè)量各類(lèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)，是工業(yè)控制自動(dòng)化必不可少的重要檢測(cè)和控制裝置。廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金等部門(mén)。
??? 隨著元件生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化水平的提高，對(duì)測(cè)量裝置的要求越來(lái)越高。為實(shí)現(xiàn)低漂移、高穩(wěn)定、高分辨率，使用了CS5550 A／D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單的跳線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了單一儀表對(duì)電壓、電流、電阻等各信號(hào)的采集，通過(guò)強(qiáng)大的程序?qū)崿F(xiàn)各種信號(hào)的變換，真正達(dá)到了一表多用的智能型儀表。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
??? 儀表各種輸入信號(hào)經(jīng)跳線(xiàn)選擇，切換測(cè)量電路后直接送入CS5550 A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入CPU處理，輸入信號(hào)經(jīng)線(xiàn)性化、冷端補(bǔ)償、外線(xiàn)電阻補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算后，得到測(cè)量值送LED顯示或經(jīng)RS-232傳給上位機(jī)或其它控制器，同時(shí)與用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行比較，從而驅(qū)動(dòng)繼電器報(bào)警輸出。
??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)量電路與A／D轉(zhuǎn)換的模擬電路部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到測(cè)量結(jié)果的精確程度。軟件的核心部分是將采集到的數(shù)字信號(hào)量轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，如將熱電偶的微弱電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。

1．1 A／D轉(zhuǎn)換電路
??? 本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換采用Cirrus Logic公司的兩通道、低成本Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5550芯片，是一種便于設(shè)計(jì)、性?xún)r(jià)比高的小體積高集成解決方案。
??? CS5550集放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓電路和雙向串口于一身。具有方便的片上偏移和增益校準(zhǔn)功能，通過(guò)串口可重新設(shè)置完成初始化，可直接輸出精確測(cè)量結(jié)果。它是一個(gè)雙通道解決方案。
??? CS5550的模擬電源與數(shù)字電源分開(kāi)提供，模擬電源部分使用了RC低通濾波電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用片上提供的基準(zhǔn)電壓源，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。通過(guò)SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。CS5550的外圍參考電路如圖2所示。

1．2 測(cè)量電路
??? 測(cè)量電路如圖3所示，信號(hào)輸入接在接線(xiàn)端子上，通過(guò)跳線(xiàn)選擇輸入信號(hào)的測(cè)量電路。這里，跳線(xiàn)可以使用模擬開(kāi)關(guān)替代，通過(guò)單片機(jī)控制進(jìn)行切換。

??? 當(dāng)跳線(xiàn)1、2短接時(shí)，測(cè)量輸入電壓信號(hào)，可接熱電偶的信號(hào)輸入。
??? 當(dāng)跳線(xiàn)5、6短接時(shí)，測(cè)量輸入電流信號(hào)，電流經(jīng)過(guò)精密電阻r產(chǎn)生壓降，這樣只需知道電阻r的阻值，便可測(cè)得電流值，可接0～10mA、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
??? 當(dāng)跳線(xiàn)3、4短接時(shí)，測(cè)量輸入電阻信號(hào)。電阻測(cè)量法可以采用恒流源法，它既可以消除引線(xiàn)電阻的影響，輸出電壓又不存在非線(xiàn)性，但是造價(jià)比較昂貴。
??? 本系統(tǒng)采用三線(xiàn)式電阻測(cè)量法，如圖3中虛線(xiàn)部分為測(cè)量電阻的兩根信號(hào)線(xiàn)，電阻接地線(xiàn)為第三根線(xiàn)。因?yàn)橐€(xiàn)通常采用的是同種材料、同等長(zhǎng)度，所以引線(xiàn)上電阻產(chǎn)生的壓降、溫度漂移相互抵消。通過(guò)LM336提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源，消除電源不穩(wěn)定對(duì)電阻測(cè)量的影響。這種方案成本低、測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定。
1．3 鍵盤(pán)和LED顯示
??? 本系統(tǒng)提供四個(gè)按鍵，接在單片機(jī)的P1．0～P1．3上，其功能分別為”菜單”、”+”、”一”、”確定”。按鍵信息通過(guò)定時(shí)掃描進(jìn)行讀取，具有軟件去抖動(dòng)，提高穩(wěn)定性。通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，執(zhí)行校準(zhǔn)、設(shè)定值、信號(hào)變換類(lèi)型的切換等。LED顯示通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，無(wú)閃爍，通過(guò)緩沖區(qū)機(jī)制存取，數(shù)據(jù)變化時(shí)只需更新緩沖區(qū)即可。
1．4 EEPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)
??? EEPROM用于產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)永久保存，這樣系統(tǒng)上電工作時(shí)，首先從EEPROM中讀取系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后，系統(tǒng)參數(shù)可進(jìn)行重新校準(zhǔn)，確保測(cè)量的精確性。
1．5 RS-232通信接口
??? RS-232是系統(tǒng)與上位機(jī)或其它控制器的通信接口。通過(guò)RS-232可實(shí)時(shí)地輸出測(cè)量數(shù)據(jù)或報(bào)警信號(hào)數(shù)據(jù)，作為其它控制器的輸入，并可通過(guò)RS-232對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)定，為工業(yè)控制自動(dòng)化和組態(tài)提供了方便。
1．6 開(kāi)關(guān)量輸出電路
??? 該電路作為控制器向外輸出信號(hào)之用。利用鍵盤(pán)將最高、最低設(shè)定值置入內(nèi)存，并保存到EEPROM中長(zhǎng)久保存。儀表隨時(shí)比較采樣值和設(shè)定值，并把比較結(jié)果以開(kāi)關(guān)量方式輸出，達(dá)到控制外設(shè)的目的。開(kāi)關(guān)量輸出電路由光電耦合電路和輸出繼電器組成，如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件部分采用模塊化編碼，主要模塊有：系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算與變換模塊、鍵盤(pán)和LED顯示模塊、CS5550操作模塊、93C46 EEPROM存儲(chǔ)模塊、RS-232通信模塊、開(kāi)關(guān)量輸出控制模塊等。軟件系統(tǒng)的總體流程如圖5所示。

??? 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行初始化，將校準(zhǔn)過(guò)的系統(tǒng)參數(shù)從EEPROM中載入，對(duì)I/O、A／D等進(jìn)行初始化。接下來(lái)進(jìn)入程序主循環(huán)，執(zhí)行鍵盤(pán)掃描，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)行按鍵處理，根據(jù)按鍵組合，進(jìn)行CS5550參數(shù)校準(zhǔn)、測(cè)量電路校準(zhǔn)、信號(hào)變換類(lèi)型的切換或參數(shù)值設(shè)定等。若無(wú)按鍵按下，則對(duì)輸入信號(hào)采樣，計(jì)算，并根據(jù)設(shè)定的變換類(lèi)型進(jìn)行數(shù)據(jù)變換后得到信號(hào)的測(cè)量值，然后刷新顯示緩沖區(qū)，更新顯示。得到的測(cè)量值再與開(kāi)關(guān)量的高低設(shè)定值比較，輸出設(shè)定的相應(yīng)電平，達(dá)到控制的目的。最后如有通信要求，執(zhí)行相應(yīng)的子程序后回到循環(huán)起點(diǎn)。
2．1 校準(zhǔn)模塊
??? 首先短接圖3測(cè)量電路中跳線(xiàn)1、2，輸入相應(yīng)的基準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)行CS5550的偏移和增益系數(shù)校準(zhǔn)。然后短接跳線(xiàn)5、6，輸入標(biāo)準(zhǔn)電流i后，如取10mA，讀取實(shí)際的測(cè)量值，即電阻r上的壓降Ur，則r的阻值為Ur／i，并將該結(jié)果保存到EEPROM中作為系統(tǒng)參數(shù)之一。最后，短接跳線(xiàn)3、4，下面詳細(xì)介紹電阻測(cè)量電路中參數(shù)V，R的校準(zhǔn)，待測(cè)電阻rx的計(jì)算，其等效電路如圖6 所示。

??? 如圖6所示，rx為待測(cè)電阻，溈流經(jīng)rx的電流，所產(chǎn)生的壓降為u，由歐姆定律得到式(1)、(2)。

??? 整理后得式(3)，其中V，R為未知數(shù)，u是由本系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)。通過(guò)連接精密電阻箱來(lái)取代待測(cè)電阻，取定rx兩個(gè)值，如100Ω和400Ω。代入式(3)，解方程組可得V和R的校準(zhǔn)值，并存入EEPROM中作為系統(tǒng)參數(shù)。

??? 經(jīng)校準(zhǔn)后便可根據(jù)式(4)精確地計(jì)算出待測(cè)電阻rx的值。

2．2 計(jì)算與變換模塊
??? 經(jīng)校準(zhǔn)和初始化后，CS5550進(jìn)入測(cè)量階段，通過(guò)最新獲得的N個(gè)瞬時(shí)測(cè)量值計(jì)算出轉(zhuǎn)換有效值后，以滿(mǎn)量程的相對(duì)百分比方式提供所有的測(cè)量結(jié)果。其中通道1具有可編程放大器增益選擇，當(dāng)工作在增益為10的情況下，如果測(cè)量結(jié)果低于10％，則系統(tǒng)將其增益切換成增益為50；反之，當(dāng)工作在增益為50的情況下，如果測(cè)量結(jié)果高于90％，則系統(tǒng)將其增益切換成10。這樣不僅測(cè)量的信號(hào)范圍寬，而且提高了系統(tǒng)測(cè)量的精確性。
??? 從CS5550讀取測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化成相對(duì)百分比后，乘上相應(yīng)的滿(mǎn)量程值就可以得出實(shí)際測(cè)得的電壓值u，如果輸入的是電流值，則除以系統(tǒng)參數(shù)r即為所測(cè)得的電流值，如果是測(cè)量輸入電阻，則根據(jù)式(4)計(jì)算所測(cè)得的電阻值。
??? 得到相應(yīng)測(cè)量信號(hào)的實(shí)際值后需再進(jìn)一步地變換。如熱電偶輸入的是電壓信號(hào)，需變換成相對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)，而且電壓一溫度之問(wèn)不是線(xiàn)性的變換關(guān)系。變換方法可以采用多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合方法或者小區(qū)間線(xiàn)性化處理方法。
??? 本系統(tǒng)可進(jìn)行十幾種的信號(hào)變換，真正做到一表多用，下面介紹信號(hào)變換切換的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方法，這是通過(guò)函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先聲明函數(shù)指針，
??? typedef float，(*convert_t)(float val)；
??? 然后定義該函數(shù)指針的一個(gè)變量，
??? convert_tconvert：
??? 下面是一些信號(hào)變換的函數(shù)原形聲明，函數(shù)中的參數(shù)是測(cè)量的電壓值，函數(shù)返回的是變換后的值，
??? float lkConvert(float val)： ／／熱電偶K級(jí)
??? float lsConveit(float val)：／／熱電偶S級(jí)
??? float Pt100Convert(float val)：／／熱電阻Pt100
??? float Cu50Conveit(float val)： ／／熱電阻Cu50
??? 信號(hào)變換切換方法示例如下，
??? SWitch(opNum){
??? case 1： ／／熱電偶K級(jí)
???????? convert=lkConvert：
?????? break：
??? ……
??? ｝
??? 確定了信號(hào)變換函數(shù)，最后是函數(shù)調(diào)用，舉例如下，
??? unsigned long temp；
??? float result；
??? ／／從CS5550中讀取通道1數(shù)據(jù)
??? temp=read(Ox16)；
??? ／／轉(zhuǎn)換成百分比
??? result=temp／(float)0x0l000000；
??? ／／乘上滿(mǎn)量程值
??? result*=fullScale；
??? ／／執(zhí)行信號(hào)變換
??? result=convert(result)；
??? 這樣result變量就是傳感器對(duì)應(yīng)的信號(hào)值，如溫度。

3 結(jié)束語(yǔ)
??? 本系統(tǒng)使用CS5550進(jìn)行硬件核心電路設(shè)計(jì)，性?xún)r(jià)比極高，使用簡(jiǎn)單的配置實(shí)現(xiàn)一表多用，體積小、集成度高、運(yùn)行可靠，有很好的推廣價(jià)值。