一種基于MPX2100型壓力傳感器的壓力數據采集系統

　　3、雙積分模/數轉換接口電路

　　(1)芯片ICL7135介紹

　　ICL7135是美國MAXIN公司生產的一個雙積分式A/D轉換集成電路，該芯片抗干擾能力強、分辯率高、價格低廉。它的分辯率相當于14位二進制數，轉換誤差為±1LSB，轉換輸出為0~19999;當測量量程為0kN~2000kN時，這樣的精度使得儀表的分辯率達到0.1kN;模擬輸入可以保證0點在常溫下的長期穩定性。由于7135輸出的轉換結果是動態掃描BCD碼，因此常規設計一般通過并行接口與單片機連接，以節省單片機的硬件開銷，同時 8155中的定時器還可以滿足7135對時鐘的需要。

　　(2)A/D轉換電路及其原理

　　電路原理圖如圖5所示。

　　7135與8155的連接是通過4位2選1數據多路開關74LS157來實現的。其選通信號由7135的D5輸出控制。當A/D轉換結束時，D5輸出高電平，74LS157選通B類通道，單片機通過PA0~PA3讀入萬位數B1、狀態位POL(極性)、OVR(過量程)和UR(欠量程);當D5輸出完成時，變為低電平(這一過程包括D4~D1數據輸出周期在內)，74LS157選通A類通道，單片機通過PA0~PA3將依次讀入8421碼值 B8，B4，B2及B1，即低位BCD碼，依次形成萬、千、百、十、個各位BCD碼(即轉換結果)。8155A口中斷請求線PC0反相后形成單片機的外中斷0觸發信號。當7135完成1次轉換后，產生5個數據選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標志送入A口;A口收到一個數據后，中斷線PC0變為高電平，啟動單片機的中斷服務程序，讀取A/D轉換的數據結果。7135的轉換啟動由P14控制，高電平轉換開始，低電平保持。

　　經調理后的 0V~2V的模擬信號通過RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉換后的結果包括2部分：極性和量程，反映轉換性質的結果。轉換后的數字信號為 D1，D2，D3，D41及D5，其中D5(萬位)只能是1或0，其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2，如果量程為 2V，則參考電壓為1V。為了保證轉換的溫度穩定性和精度，采用高精度基準電源MC1403，通過金屬膜多圈進口電位器調節得到。參考電壓上并聯的CBB 電容C46(0.1mF)，C47(1mF)主要是保證參考電壓的穩定性。

　　積分電容是決定轉換精度的關鍵器件。按照7135應用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關，選用時必須滿足以下要求：

　　R3=滿度電壓/20mA(3)

　　C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅(4)

　　式中，T=1/fclk。

　　fclk—7135的時鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時7135的轉換速率為3次/s。

　　在±5V系統中，如模擬地為0V，則擺幅為±4V，此時量程為?C2V~+2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。

　　(3)PLD技術的應用

　　為節省了硬件電路的開銷，減少硬件電路產生的電磁干擾，系統的部分電路應用了PLD技術，其可編程邏輯電路(見圖5)由可編程邏輯陳列芯片 GAL16V8組成，主要完成A/D轉換模塊所需的時鐘信號和轉換結束選通信號產生單片機外中斷0中斷信號的邏輯轉換，其邏輯方程如下：

　　P16=+(與非門)(5)

　　P14=P7+P8(或門)(6)

　　P13=(非門)(7)

　　式中，P2、P3、P7分別為單片機的、、ALE信號;

　　P8—與非門輸出;P9—8155的A口中斷信號;P13—生成的單片機外中斷觸發信號。

　　按照上述邏輯關系生成的PLD文件經FM軟件編譯后，產生熔絲文件*.LED，然后通過編程器寫入GAL16V8即可。

　　三、系統軟件設計

　　系統軟件設計采用模塊化結構，采用匯編語言編程，整個程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉換處理子程序流程圖，如圖6所示。

　　四、非線性誤差的修正

　　傳感器、放大器、A/D轉換器總是存在非線性誤差，由于上述非線性關系的存在，帶來了精度的降低，為了保證在整個范圍內滿足精度的要求，所以在實際應用中應根據控制要求對測量值進行誤差修正，修正一般通過軟件較準實現。其具體的修正方法應根據信號的工作區段和質量要求來確定。利用單片機的運算和控制能力對非線性關系找出修正算法，并在反復測試調整后使其達到設計要求。本系統采用分段線性插值法對測量值的曲線進行了誤差修正處理。方法為：將0～XMAX分為若干工作區段，每段曲線用一段對應的折線來代替，對每段折線可求出VQ：

　　Nt:VQ=ai×Nt+bi(8)

　　式中，I—某段折線的序號;ai—該段折線的斜率;bi—該段折線的截距。

　　它們的修正程序流程圖如圖7所示，處理關系示意曲線如圖8所示。

　　預先將每段的之值存于單片機中，在不同的工作區段，單片機自動地將對應的每段的上述值調出進行運算處理。(限于篇幅，定量的分析沒有討論)

　　五、結束語

　　本文描述的是一種通用的高精度壓力數據采集系統，它有許多優點，可在各種惡劣的環境中正常地工作，而且抗干擾能力強、使用壽命長、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實現了良好的人機交換?？蓮V泛地應用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業及科研領域的壓力數據采集、檢測與分析。