基于Delta-Sigma模數轉換器實現智能型測量儀表的設計

引言

現代工業測量儀表以單片機為核心，具有數字顯示、開關量輸出、超限報警和通信等功能。用于測量各類工業現場的檢測信號，是工業控制自動化必不可少的重要檢測和控制裝置。廣泛應用于電力、化工、冶金等部門。

隨著元件生產工藝、自動化水平的提高，對測量裝置的要求越來越高。為實現低漂移、高穩定、高分辨率，使用了CS5550 A／D轉換器。本系統通過簡單的跳線，實現了單一儀表對電壓、電流、電阻等各信號的采集，通過強大的程序實現各種信號的變換，真正達到了一表多用的智能型儀表。

1 硬件電路設計

儀表各種輸入信號經跳線選擇，切換測量電路后直接送入CS5550 A／D轉換器，轉換成數字量送入CPU處理，輸入信號經線性化、冷端補償、外線電阻補償等運算后，得到測量值送LED顯示或經RS-232傳給上位機或其它控制器，同時與用戶設定的報警值進行比較，從而驅動繼電器報警輸出。

系統結構如圖1所示，測量電路與A／D轉換的模擬電路部分是系統設計的關鍵，直接影響到測量結果的精確程度。軟件的核心部分是將采集到的數字信號量轉換成準確測量結果，如將熱電偶的微弱電壓信號轉換成對應的溫度值。

1．1 A／D轉換電路

本系統的A/D轉換采用Cirrus Logic公司的兩通道、低成本Delta-Sigma模數轉換器CS5550芯片，是一種便于設計、性價比高的小體積高集成解決方案。

CS5550集放大器、A／D轉換器、數字濾波器、基準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功能，通過串口可重新設置完成初始化，可直接輸出精確測量結果。它是一個雙通道解決方案。

CS5550的模擬電源與數字電源分開提供，模擬電源部分使用了RC低通濾波電路，增強了系統的穩定性。使用片上提供的基準電壓源，簡化電路設計。通過 SPI接口與單片機進行通信。CS5550的外圍參考電路如圖2所示。

1．2 測量電路

測量電路如圖3所示，信號輸入接在接線端子上，通過跳線選擇輸入信號的測量電路。這里，跳線可以使用模擬開關替代，通過單片機控制進行切換。

當跳線1、2短接時，測量輸入電壓信號，可接熱電偶的信號輸入。

當跳線5、6短接時，測量輸入電流信號，電流經過精密電阻r產生壓降，這樣只需知道電阻r的阻值，便可測得電流值，可接0～10mA、4～20mA標準信號。

當跳線3、4短接時，測量輸入電阻信號。電阻測量法可以采用恒流源法，它既可以消除引線電阻的影響，輸出電壓又不存在非線性，但是造價比較昂貴。

本系統采用三線式電阻測量法，如圖3中虛線部分為測量電阻的兩根信號線，電阻接地線為第三根線。因為引線通常采用的是同種材料、同等長度，所以引線上電阻產生的壓降、溫度漂移相互抵消。通過LM336提供穩定的基準電壓源，消除電源不穩定對電阻測量的影響。這種方案成本低、測量準確、穩定。

1．3 鍵盤和LED顯示

本系統提供四個按鍵，接在單片機的P1．0～P1．3上，其功能分別為”菜單”、”+”、”一”、”確定”。按鍵信息通過定時掃描進行讀取，具有軟件去抖動，提高穩定性。通過按鍵對系統進行控制，執行校準、設定值、信號變換類型的切換等。LED顯示通過定時中斷來進行實時掃描，無閃爍，通過緩沖區機制存取，數據變化時只需更新緩沖區即可。

1．4 EEPROM存儲系統

EEPROM用于產品出廠時，系統校準參數永久保存，這樣系統上電工作時，首先從EEPROM中讀取系統的參數數據。在系統運行長時間后，系統參數可進行重新校準，確保測量的精確性。

1．5 RS-232通信接口

RS-232是系統與上位機或其它控制器的通信接口。通過RS-232可實時地輸出測量數據或報警信號數據，作為其它控制器的輸入，并可通過RS-232 對運行模式進行設定，為工業控制自動化和組態提供了方便。

1．6 開關量輸出電路

該電路作為控制器向外輸出信號之用。利用鍵盤將最高、最低設定值置入內存，并保存到EEPROM中長久保存。儀表隨時比較采樣值和設定值，并把比較結果以開關量方式輸出，達到控制外設的目的。開關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 軟件設計

軟件部分采用模塊化編碼，主要模塊有：系統參數校準模塊、數據計算與變換模塊、鍵盤和LED顯示模塊、CS5550操作模塊、93C46 EEPROM存儲模塊、RS-232通信模塊、開關量輸出控制模塊等。軟件系統的總體流程如圖5所示。

系統開機后，首先進行初始化，將校準過的系統參數從EEPROM中載入，對I/O、A／D等進行初始化。接下來進入程序主循環，執行鍵盤掃描，當有按鍵按下時，進行按鍵處理，根據按鍵組合，進行CS5550參數校準、測量電路校準、信號變換類型的切換或參數值設定等。若無按鍵按下，則對輸入信號采樣，計算，并根據設定的變換類型進行數據變換后得到信號的測量值，然后刷新顯示緩沖區，更新顯示。得到的測量值再與開關量的高低設定值比較，輸出設定的相應電平，達到控制的目的。最后如有通信要求，執行相應的子程序后回到循環起點。

2．1 校準模塊

首先短接圖3測量電路中跳線1、2，輸入相應的基準信號，進行CS5550的偏移和增益系數校準。然后短接跳線5、6，輸入標準電流i后，如取10mA，讀取實際的測量值，即電阻r上的壓降Ur，則r的阻值為Ur／i，并將該結果保存到EEPROM中作為系統參數之一。最后，短接跳線3、4，下面詳細介紹電阻測量電路中參數V，R的校準，待測電阻rx的計算，其等效電路如圖6 所示。

如圖6所示，rx為待測電阻，溈流經rx的電流，所產生的壓降為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，u是由本系統測得的數據。通過連接精密電阻箱來取代待測電阻，取定rx兩個值，如100Ω和400Ω。代入式 （3），解方程組可得V和R的校準值，并存入EEPROM中作為系統參數。

經校準后便可根據式（4）精確地計算出待測電阻rx的值。

2．2 計算與變換模塊

經校準和初始化后，CS5550進入測量階段，通過最新獲得的N個瞬時測量值計算出轉換有效值后，以滿量程的相對百分比方式提供所有的測量結果。其中通道 1具有可編程放大器增益選擇，當工作在增益為10的情況下，如果測量結果低于10％，則系統將其增益切換成增益為50；反之，當工作在增益為50的情況下，如果測量結果高于90％，則系統將其增益切換成10。這樣不僅測量的信號范圍寬，而且提高了系統測量的精確性。

從CS5550讀取測量結果轉化成相對百分比后，乘上相應的滿量程值就可以得出實際測得的電壓值u，如果輸入的是電流值，則除以系統參數r即為所測得的電流值，如果是測量輸入電阻，則根據式（4）計算所測得的電阻值。

得到相應測量信號的實際值后需再進一步地變換。如熱電偶輸入的是電壓信號，需變換成相對應的溫度信號，而且電壓一溫度之問不是線性的變換關系。變換方法可以采用多項式曲線擬合方法或者小區間線性化處理方法。

本系統可進行十幾種的信號變換，真正做到一表多用，下面介紹信號變換切換的C語言實現方法，這是通過函數指針來實現的。首先聲明函數指針，

typedef float，（*convert_t）（float val）；

然后定義該函數指針的一個變量，

convert_tconvert：

下面是一些信號變換的函數原形聲明，函數中的參數是測量的電壓值，函數返回的是變換后的值，

float lkConvert（float val）： ／／熱電偶K級

float lsConveit（float val）：／／熱電偶S級

float Pt100Convert（float val）：／／熱電阻Pt100

float Cu50Conveit（float val）： ／／熱電阻Cu50

信號變換切換方法示例如下，

SWitch（opNum）{

case 1： ／／熱電偶K級

convert=lkConvert：

break：

……

｝

確定了信號變換函數，最后是函數調用，舉例如下，

unsigned long temp；

float result；

／／從CS5550中讀取通道1數據

temp=read（Ox16）；

／／轉換成百分比

result=temp／（float）0x0l000000；

／／乘上滿量程值

result*=fullScale；

／／執行信號變換

result=convert（result）；

這樣result變量就是傳感器對應的信號值，如溫度。

3 結束語

本系統使用CS5550進行硬件核心電路設計，性價比極高，使用簡單的配置實現一表多用，體積小、集成度高、運行可靠，有很好的推廣價值。

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