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1、 基于单片机的智能传感器设计摘要随着自动化技术的发展和微电子技术的进步，以及现场总线技术的日益成熟，数控技术在生产过程中的应用越来越广泛，对现场信号的采集、传输和数据处理提出更高的要求。本论文阐述了现场信号通信的发展概况和智能变送器的现状，分析了智能变送器的作用和工作原理，针对应用中使用的不同的传感器输出不同幅值的弱直流电信号的要求，设计了智能变送器系统。它实现了弱直流电信号放大，并能根据信号的幅值大小来自动改变放大系数，提高测量灵敏度，对采样数据处理后，既能输出420mA DC标准电流信号，又能通过RS485总线与其他上位机或同位机进行数字通信。系统根据传感器输出的信号范围通过编程设定由集成
2、测量放大器AD623和非易失性数控电位器X9241组成的放大环节的增益，将弱信号放大到05V DC，通过多通道12位串行A/D转换器TLC2543进行A/D转换，将采集到的数据送给单片机80C52，由单片机进行滤波、标度变换等数据处理后，通过8位并行D/A转换器DAC0832将数据转换成420mA DC信号输出，或通过隔离后的RS485总线将数据传送给上位机。系统设计有独立的看门狗电路和EEPROM存储器电路，提高了系统可靠性。系统软件采用MCS51单片机汇编语言，模块化程序设计方法，设计了仪表监控主程序、放大器增益设定程序、ADC转换和处理子程序、DAC转换等子模块，并设计了相应的通信协议。
3、关键词智能变送器；通信；单片机；现场总线；测量信号Intelligent sensor based on single-chip designAbstractWith the development of Automation and the progress of the micro electronics technology, and the mature of Field Bus, digital control technology is widely used in production process, so collection, transition and treatmen
4、t of signal should meet higher requirements. This thesis is about general development of field signal communication and status of intelligent transducer, analyzes function and operation principle of intelligent transducer. The transducer is designed chiefly for different weak output signal of non-st
5、andard sensors. It can amplify the weak signal, alter the amplification factor according to the size of the weak signal and improve system sensitivity. After sample data processed, it not only can output 420mA standard direct current, but also can communicate with other computers and single chip by
6、mean of RS485 bus. According to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of amplification link which is composed of AD623 and X9241 by way of program, amplifies the weak signal to DC 05V, then makes A/D transition through， multipassages and 12bit TLC2543, brings the sampled da
7、ta to single chip 89C52, filtering the data, and transferring surveyor etc ,then transits the data to 420mA DC signal by DAC0832,or sends the data to other computers through isolated RS485 bus. The design of the system has its own separate watchdog and EEPROM memory circuit; Therefore it can improve
8、 system reliability. Software of the system designs main program, amplifier gain setting program, ADC transition program, DAC transition program and processing subprogram by adopting assemble language of MCS51 single chip and modularization program design method, and also designs corresponding commu
9、nication protocol. Keywords Intelligent；Transducer；Communication；Single-chip；Field-bus; Measuring signal不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 智能变送器的现状21.3 现场信号通信的发展概况41.4 本论文的主要工作6第2章 硬件电路设计82.1 单片机选择92.2 输入信号增益自调节电路设计92.3 模数转换器选择及接口电路设计112.3.1 TLC2543C简介112.3.2 TLC2543C的主要性能122
10、.3.3 TLC2543C的转换过程132.4 数模转换器接口电路设计152.5 V/I变换电路设计152.6 复位及运行监视电路设计162.7 RS485总线接口电路设计182.8 显示器接口电路设计192.9 键盘接口电路设计192.10 电源202.11 本章小结20第3章 应用软件设计213.1 监控程序模块213.2 输入信号增益自调节模块223.3 数据采集和处理模块223.4 通信模块设计233.4.1 串行通信接口的基本任务243.4.2 RS485简介和串行通信协议的实现243.5 通信模块设计293.6 键盘模块的设计293.7 软件抗干扰的设计303.8 本章小结31结论
11、32致谢33参考文献34附录A35附录B40附录C44附录D45千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展，生产规模越来越大，相应的自动化管理系统日趋复杂。由于计算机技术的高度发展和广泛应用，近10年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各功能环节在信息的传送、管理和操作上紧密配合，形成了高度复杂的分散型过程控制系统。随着计算机技术的发展，微机价格的大幅度下降，PC机和各种单片机在工
12、业和各行业应用日益广泛。在控制网络中，各种测量仪表往往用单片机作数据处理单元，而在主控室，有微机对整个生产过程的数据进行统一的显示、存储和汇总。随着工业控制系统的发展，测量系统也逐渐发展，使得智能仪表的发展也越来越迅速。这样就使常规的模拟仪表日薄西山。DCS、工业控制计算机(IPC)、PLC、可编程单回路调节器等基本上主宰了这一领域。过程控制系统有以下几种发展趋势：1.控制中心向现场转移传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能将下放到现场，使系统成为真正的、彻底分散的系统。2.开放系统的实现开放系统要求互连性和互操作性，即不同厂家生产的仪表、装置应能在一个系统中协同工作。计算机网络技术与软
13、件技术的高速发展给开放系统带来了曙光。DI公司(Control System International Inc)推出一种UCOS(用户可配置开放系统)DCS，它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、各工作站计算机及各现场控制单元(FCU)连接起来，它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系统采用Windows NT，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直接访问能力，与其连接的I/O子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统将成为真正的开放系统。3.智能控制技术将得到进一步应用专家系统、模糊控制、人工神经网络等智能控制技术，已在直接数字控制及优化控制中得到了初步应用。目前，在控制领域
14、中，智能控制理论与技术是一个研究热点，这种研究“热”无疑将会使智能控制技术的应用水平得到较快的提高。4.多媒体技术的应用多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工程师将可以坐在控制室里，从DCS的计算机屏幕上看到现场的真实画面，听到来自现场的声音，以此来监视设备的关键部位。由于智能仪表和现场总线技术的发展，过程控制的主流系统DCS的结构将发生转折性变化，控制功能向现场转移和分散，专利系统将向用户可配置(集成)的开放系统过渡。这种控制系统的发展又使智能系统成为当今控制系统发展的热点。由于控制系统的快速发展，而测量系统的进展却很小，使之难于满足先进的控制系统要求。随着微电子技术的飞速发展，尤其
15、是近年来由于低功耗、多功能单片微处理器、A/D与D/A变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了扎实的物质基础。对于诸如温度、湿度、流量、位移等物理量的测量与控制，如何提高系统的可靠性与精度，减少外部连接线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量程线性转移，以及一机多用，以同一检测模板用于不同物理量的检测场合，并满足多种线性与非线性输入信号的精度要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上一些主要的仪表制造厂相继研制成功了带微处理机构的各种智能变送器，开创了“智能式”变送器的新阶段。1.2 智能变送器的现状变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和变换处理。
16、随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化。对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。目前普通使用的变送器是以70年代统一的420mADC模拟信号标准传送信号的二线制变送器(国内还有少量四线制010mA DC信号变送器)。它们在传送信号时，模拟信号不能简单迭加，信道为一对一，即一(或二)对导线上只能传输一个变送器输出信号，且只能单向传输。智能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进行数字通信。使用数字通信的信道复用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用一条通信总线并进行双向通信，大大减少了现场信号引线15。
17、微处理器直接对被测信号进行数字化处理，使变送器的测量精度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，还可克服温漂和各种零漂影响，有的还具有直接PID输出等高级处理功能。通过数字双向通信，可在控制室中对变送器进行远程诊断、标定和组态，因此智能变送器的性能远优于普通变送器，近10年来在国外已获得日益广泛的应用。1983年，美国Honeywell公司将第一个称为Smart变送器的STJ3000D压力变送器推入了美国国内市场，使智能变送器进入了商品化。随后美国的Rosemount，Foxboro等一些公司在1986年美国仪表学会(1SA)的会议上争相推出了一些称为Smart变送器的新型智能变送器系列。这类变
18、送器具有适合各种新应用的能力，克服了以往模拟变送器准确度不够高、漂移过大、量程有限、维护和维修费用大等一些不足。由于这类变送器内部有微处理机，采用了数字集成化测量方式，不仅能输出420mA的模拟信号，而且还能输出数字信号，实现了现场和控制室之间进行双向数字通信。这一典型的数字通信功能缩小了测量技术与控制技术之间的差距。如果采用这种数字式集成化测量与控制方式，就能消除许多与模拟电路有关的误差源，因而能达到更高的性能标准。例如总的测量回路可以不用A/D转换器和D/A转换器。由于智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，加上采用超大规模离子注入技术及超精细加工工艺技术，它的优点是一般变送
19、器无法比拟的：1.具有420mADC或数字信号输出功能。2.有较高的精度和较好重复性,一般智能变送器精度为士0.1，如工作在数字方式下则更高。另外由于智能变送器有环境温度及静压补偿，不受日夜、冬夏温差变化的影响，具有很好的重复性。3.迁移范围大,智能变送器的迁移量可达-2000+1900，而普通型压力变送器为-600+500。4.智能变送器量程比普遍达到40：1以上，而普通型变送器一般为l0：1。宽量程比可使变送器本身的实用性，通用性得以提高，给用户及设计者带来方便，减少备用表数量及种类。5.拥有完善的自诊断功能,通过通信器可查出变送器自身诊断的故障结果信息。6.通过DCS或通信器可远距离对变
20、送器编程、组态、检查和校验,传统的变送器在调校时，应从现场拆除进行离线校验，既影响生产又很繁琐，而且有些变送器是安装在高温、高压、危险爆炸场所或者人们很难达到的地点，采用智能变送器避免了以上繁琐危险的工作7。变送器的发展是与传感器技术和计算机技术的发展分不开的，新一代的变送器必然是全数字化的。另外智能变送器组态的内容包括远程设定变送器标号，线性输出或是方根输出，测量范围，阻尼时间常数等。变更测量范围时，不需要把变送器从过程线管线上拆下来，也不需要对变送器送入差压信号或压力信号，只需要通过SFC键盘的简单操作就可实现远程设定、变更和校准，就像我们用遥控器对电视机或录像机进行远距离操纵一样。这种变
21、更和校准不需要电流电压表参与，而且零点调整和量程调整互不干扰。这样一来就大大减少了工厂检修停工期和缩短维修时间。智能变送器的自诊断功能也给使用和维修带来不少实惠，比如JTD 200型变送器，自诊断的内容包括组态检查、通讯检查、变送器工作检查、过程异常检查等。诊断显示共有27种型式，通过这些显示，立即可以识别问题所在区段。智能通讯器和现场变送器通讯的方式各家公司是不一样的，有的是无线的，有的是将通讯信号子以调制，通过420mA的直流信号线进行传送。智能变送器是微处理机技术和通讯技术进入变送仪表的必然产物，它使仪表变得更灵巧。微机技术和通讯技术将会进入越来越多的仪表。如上所述智能变送器具有很多优点
22、，因此它最适用于测量范围变化较大、环境条件较差而要求测量精度高和采用数字通信的大型控制系统及特殊应用场合。具体应用场合叙述如下：1.用于现场总线根据ISA SP50委员会定义的现场总线概念，智能变送器将在现场总线中扮演主要角色，具有PID调节功能的变送器可以进一步将集中控制的危险性分散到最小，同时采用数字通讯，节省了大量的模拟通讯电线。目前智能变送器的价格已经接近普通变送器的水平。而对使用者来说，可以在控制室内对现场变送器进行调整，更改量程，组态等操作，相当方便。2.用于特殊场合对于现场总线尚未普及的情况，智能变送器可用于高空，塔顶或有毒有害气体环境，人员不宜接近的场合，可减少维护人员的工作量
23、及死亡的可能性。3.用于要求测量精度高的场合对于一些环境温度及过程静压变化较大而要求测量精度高的场合，利用智能变送器具有温度及静压补偿的功能，可明显提高变送器的测量准确性，如储运系统灌区液位的测量点以及冬季与夏季、昼夜之间温差较大，很容易使普通变送器误差增加一倍，而智能变送器却能够克服这一缺点，提高测量精度。4.用于量程范围较大的场合近年来，受市场经济的影响，炼油厂加工的原油性质及处理量有较大的波动，导致部分流量的测量回路经常出现超量程或低量程运行，而采用的FC系列变送器，量程比太小（10：1），改量程时变送器需换型，给生产维护带来了不便，也增加了各种量程的变送器的备用数量，增加了企业固定资金
24、的投入。智能变送器具有40：1的量程比，很容易克服上述困难。由于其更高的性能价格比，智能变送器不仅在二十一世纪的数字化时代，而且在现场总线时期也是大有可为的，必定有美好的应用前景1。1.3 现场信号通信的发展概况现场仪表信号的传输方式经历了模拟信号传输方式、模拟数字混合信号传输方式、全数字信号传输方式三个阶段。1.模拟信号传输方式本世纪40年代，过程控制仪表基于气动信号，60年代先后引入010mA和420mA模拟电流信号标准，这两个标准对仪表工业发展发挥了巨大作用。DDZ-III型模拟仪表皆以420mADC信号作为现场信号传输标准。现场变送器将检测信号变换为420mADC信号，经双绞线送入控制
25、室内的控制器中，经控制运算之后，将其输出变换为420mADC信号，传输给现场执行器件，完成过程控制。2.模拟数字混合信号传输方式420mA DC作为信号传输标准，系统响应快，简单通用是其主要优点。但其传输精度不高，易受干扰，一对电缆线上只能单方向传输单一信息，不仅使电缆用量大，而且也出现了信息传输的“瓶颈”现象。1986年,Rosemount公司提出了HART通信协议(Highway Addressable Remote Transducer)即可寻址数据通道远传传感器。HART通信协议参照国际标准化组织(ISO)制定的“开放系统互联模型(OSI)”，简化使用了其第1、2、7层，即物理层、数据
26、链路层及应用层。在其物理层中，HART协议采用了基于BELL202通信标准的频移键控技术(FSK)，使数字信号调制后叠加于420mADC信号上，数字信号使用1200Hz和2200Hz两个不同的频率分别对应数字1和数字0，通信时频率变化的平均分量为0，使数字信号和模拟信号互不影响。HART协议的智能变送器输出信号波形如图1-1所示。+0.5mA0mA-0.5mA 1200Hz “1” 2200Hz “0”图1-1 HART协议智能变送器输出信号波形由于HART协议采用了420mADC信号和数字信号的混合传输方式，使其不仅可利用420mA DC信号而且可利用同一电缆利用数字信号实现双向多信息传输，
27、从而达到诸如修改量程、阻尼时间、PID参数等目的，进而可提高系统的运行质量和管理效率，降低操作和运行成本。另外，数字信号的应用，使现场智能变送器部分地采用了“明天的技术”，将PID调节、流量积算、设定值程序发生、曲线设定等功能下放到HART智能变送器中，实现控制功能下放。其次，由于HART协议采用了OSI的简化模型，使不同厂家生产的HART协议产品具有一定的开放性，大大方便了用户的选用。HART协议是公开的，世界上已有70多家公司宣布接受这一协议，如Foxboro、ABB、TOSHIBA等，并组成了HART用户组织HUG（HART User Group）。据1994年统计，世界上遵守HART协
28、议的产品市场占有率约为70%左右。3.全数字信号传输方式HART协议采用了420mA DC信号和数字信号进行信息传输，与传统的420mA DC信号兼容，实现了双向数字通信，可进行总线式连接而节省电缆，比420mA DC信号传输方式的控制系统有了很大进步。但它有不足之处，一是速度慢，数字的通信波特率仅为1200bps；二是HART协议智能仪表只能固定担当系统中“主”或“从”设备中一个，属主从式通信，仅适用于那些对通信速度要求不高的场合16。自80年代起，微处理器、计算机网络和通信技术取得了长足进展。微处理器与传感器、执行器相结合涌现了大量的智能化、数字化变送器和执行装置。数字化无可置疑的优点，导
29、致了取代420mA DC的强烈要求，促使发达国家纷纷推出了各自的数字总线和现场网络。现场总线的概念应包含以下两方面内容：1.现场总线首先是一种通信标准，是一种全数字化、双向、多信息、多主站通信规程的应用技术，它要保证连接可互操作（interoperable）产品，能把控制功能分散到现场装置中，并能实现数字形式宽范围通信。2.现场总线的通信标准是开放的，供应商提供各种可互操作的产品，如控制系统、测量仪表和执行装置，用户可自由选择不同厂商的产品，利用现场总线构成自己所需的自动化系统。开放性是现场总线的主要标志之一。尽管现场总线国际标准进展不如想象中快，但最终其标准是必将建成的。一旦现场总线标准制订
30、完成，势必引起控制系统一场革命，其影响将超过50年代末由旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表转换的影响，和超过80年代从电子模拟仪表转到DCS那样大的深度。现场总线产品的应用势必开辟控制领域新纪元，并对自动化产品市场及控制系统的体系结构和设计方法产生很大的冲击。毫无疑问，数字化传输是现场变送器信号传输的发展趋势。不同传输方式的数字化变送器框图如图1-2所示。数字信号Field接口420mA DC 信号D/ACPUCPUA/DA/D传感器传感器数字化传输变送器模拟信号传输数字化变送器图1-2 数字化变送器框图在数字传输方面，有现场总线国际标准，但限于资料和开发工具限制，还不能按其标准进行设计工作
31、。考虑到实际情况，本人认为有RS485和CAN总线两种，较易进行开发，也能满足使用要求。尽管CAN总线有许多优点，但CAN总线开发、使用费用要高于RS485总线，从经济性考虑，设计采用RS485总线。1.4 本论文的主要工作在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合现场控制系统的现状，设计了现场总线通信协议，研制了相应的硬件装置，完成了软件的设计与实现，进行了系统联网实验。具体内容如下：1.针对实际应用中传感器输出的不同幅值的弱信号，设计自适应增益模拟信号高精度放大电路；2.选择合适的ADC和DAC芯片，进行接口设计，送入微处理器进行数据采集处理，输出模拟420mADC标准信号，以达到与模拟
32、变送器兼容；3.扩展RS485总线接口，设计通信协议，实现信号的数字化传输；4.键盘及显示电路设计；5.复位、看门狗、存储器电路设计；6.软件的设计与实现；7.抗干扰措施。第2章 硬件电路设计变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和换处理。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂对自动化的依赖越来越大，变送器用量不断增多要求不断提高。模拟式变送器主要是由运算放大器、电阻、电容等器件构成，功能较单一，主要起信号放大、变换作用。近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理器、高精度A/D与D/A变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打
33、下了扎实的物质基础。智能变送器都是以CPU为核心构成的数字化仪表，工作原理如图2-1所示。将过接口电路进行显示、信号远传CPU进行数据采集处理进行放大、滤波等变换电路由传感器将非电量信号变换为电量信号 图2-1 变送器工作原理图智能变送器采用CPU后，不仅可对温度、湿度、流量、位移等物理量进行测量与变送，还能大大提高系统的可靠性与精度，实现一机多用。V/IDAC0832本论文智能变送器的硬件电路设计主要包括单片机选择、弱信号增益自调节电路设计、A/D转换器选择及接口电路设计、D/A转换器电路选择及接口设计、看门狗电路、存储器电路设计、RS485总线接口电路设计、420mA转换电路设计、键盘和显
34、示器接口电路设计等。硬件设计原理框图如图2-2所示。下面分节给予介绍。420mACPUTLC2543增益调节电路传感器RS-485接口传感器光隔增益调节电路看门狗、存储器电路键盘、液晶显示电路图2-2 硬件原理设计框图2.1 单片机选择因MCS51系列单片机已被国内用户广泛认可和应用，货源充足，资料丰富，仿真工具种类繁多且成熟，因此设计选用ATMEL公司生产的80C52单片机，其本身具有8051CPU内核，片内256字节RAM、特殊功能寄存器SFR、时钟频率3.5-12/24/33MHz、3个8位并行I/O口、2个16位定时计数器、全双工串行口、布尔处理器、4层优先级中断结构，兼容TTL和CM
35、OS逻辑电平。硬件扩展方便，用途广泛2。2.2 输入信号增益自调节电路设计目前现实应用中存在很多非标准的传感器，其应用存在两个问题：1.传感器输出信号不是05V、420mA等标准信号，而是mV级直流弱信号，经运算放大器放大后才能达到通常的A/D转换器需要的05V信号要求。2.传感器输出信号在满量程情况下，信号幅值不一致，如同批次某应变片式压力传感器，在同一+5VDC电压供电情况下，满量程时输出信号在5.5mV6.8mV之间变化；不同作用的传感器同样存在输出信号不一致的问题。在多传感器应用系统中，给运放电路设计、调试、维修带来了很大困难。所以，论文对选用输出不同幅值的弱信号的多传感器应用系统，设
36、计一种通用的能够根据传感器输出信号满量程幅值自动调节增益的运算放大电路。设计思路为：在变送器工作现场利用键盘输入所使用的传感器输出信号的满量程幅值或由上位机通过远程通信方式将传感器输出信号的满量程幅值下载到变送器中，变送器CPU根据该幅值大小，自动计算所需运放增益，达到增益自动调节目的。可变增益放大器的增益改变方式主要有人工(或机械)和程控两大类，具体方法有多种，每种方法各有其优点和局限性。从理论上讲改变集成运算放大器(运放)的反馈电阻或输入电阻，即可改变放大器的增益。有以下三种方法：1.用非易失性数控电位器改变电阻非易失性数控电位器克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声、寿命长、阻值可程控改变、
37、可设定阻值掉电记忆，步进阻值小，增益接近线性。2.用DAC改变电阻电流输出型DAC内含R2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。3.用集成多路模拟开关改变电阻用不同阻值的固定电阻，将其分别接入运放的输入回路，以此来达到改变输入电阻的目的，从而实现对信号的放大或衰减，即改变放大器的增益。缺点是多路模拟开关的导通电阻影响放大器的增益。本设计采用第一种方法，即用非易失性数控电位器和高精度运放组成程控增益放大器。由新型的集成仪表放大器AD623和非易失性数控电位器X9241组成。采用程控改变运放的反馈电阻来实现可变增益的放大器。非易失性数控电
38、位器克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，可设定阻值掉电记忆。设计采用的电路具有增益范围宽、成本低，适用做单片机数据采集系统的传感器与ADC之间的信号放大器。增益自调节电路原理如图2-3所示：图2-3 增益自调节电路下面简要介绍所用芯片AD623与X9241。AD623是一个集成单电源仪表放大器，该芯片内含3个运算放大器，它能在单电源下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合8引脚的工业标准配置。在无外接电阻的条件下，AD623被设置为单位增益，在接入外界电阻后，AD623可编程设置增益，且其增益最高可达1000
39、倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200HZ时仍保持恒定而受到抑制。AD623具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于低电平150mv的共模电压的信号。特别适合模块化电路应用，且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。输入信号加到作为电压缓冲器的PNP晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器。每个放大器接入一个精确的50k的反馈以保证增益可编程。差分输入为： =(1+) （21）然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压，该放大器也能抑制任何共模输入电压引起的输出信号中的（共模）电压。而6脚的输出电压
40、以5脚的电位为基准进行测量。基准端（5脚）的阻抗是100k。在需要电压/电流转换的运用中仅仅需要在5脚与6脚之间连接一只小电阻。由于所有的放大器都是电压反馈性放大器，所以AD623的带宽随增益的增大而减小。在单位增益下，输出放大器限制了带宽。因此，即使在更高的增益下，AD623的带宽下降并不是很快。AD623的增益由RG进行电阻编程，或更准确的说，由1脚与8脚之间的阻抗来决定。AD623被设计为使用0.1%1%容限的电阻提供精确的增益。对于任意的增益值，RG可用以下的公式计算： = （22）式中G为放大器的增益。X9241是把四个非易失性数控电位器集成在一个单片的CMOS微电路中。X9241包
41、含四个电阻阵列，每个阵列包含有63个电阻单元，所有的四个电位器分享串行接口并分享一个公共的结构。每个电位器包括一个电阻阵列、一个滑动端计数寄存器以及4个数据寄存器。在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元在阵列中的位置由用户通过二线串行总线接口控制。每个电阻阵列，与一个滑动端计数寄存器（WCR）和四个8位数据寄存器联系在一起，这四个数据寄存器可以由用户直接写入和读出。滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。数据寄存器可以由用户读出和写入。数据寄存器的内容可以传输到滑动端计数寄存器以设置滑动端的位置。当前滑动端的位置可以被传输到与它相联系的任意一个数据寄存器。
42、这些阵列可以串联起来成为具有127、190或253个抽头的电阻元件。2.3 模数转换器选择及接口电路设计2.3.1 TLC2543C简介TLC2543是具有11个输入端的12位串行模数转换器。TLC2543是美国德州仪器公司于近几年推出的一种性能价格比较优越的12位A/D转换芯片，具有多种封装形式，并具有民用级、工业级、军用级产品。在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面，已形成一个系列。一九九八年以来开始在我国推广使用。就12位A/D转换器来说，TLC2543具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、价格低等优点，已经在我国单片机应用领域得到很好的推广了。TLC2543C的引脚如图2-4所
43、示。图2-4 TLC2543C的引脚2.3.2 TLC2543C的主要性能A/D、D/A转换器是过程及仪器仪表、设备等检测与控制装置中应用比较广泛的器件。随着大规模集成电路技术的发展，各种高精度、低功耗、可编程、低成本的A/D转换器不断推出，使得控制系统的电路更加简洁，可靠性更高。TLC2543C是是德州仪器公司生产的一种开关电容结构的逐次迫近式A/D转换器，片内提供转换时钟，12位或8位串行数据输出，可采集11路模拟输入电压。由片内多路开关选通，并采样保持。在本芯片工作温度(070)范围内。AD转换时间为10微秒，采样率为66Kbps，具有单+5V电源工作的方式，且提供3路内置自测方式。通过
44、对该芯片内数据输入寄存器的编程，可实现12位或8位串行数据输出、数据输出的格式为二进制数无符号数或有符号数、是最高有效位MSB输出还是最低有效位LSB输出。芯片TLC2543C引脚功能特别强大其引脚说明如下：AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK。DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入
45、信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入。DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB设置成相应的逻辑电平。EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。VCC、GND：电源正端、地。REF、REF：正、负基准电压端。通常REF接VCC，REF接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差。I/O CLOCK：时钟输入/输出端3。其与CPU的接口原理见图2-5。图2-5 与CPU的接口原理2.3.3 TLC2543C的转换过程 TLC2
46、543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻态4。其工作过程分为两个周期：I/O周期和实际转换周期，具体详细周期情况见表2-1。1.I/O周期/CS变低后器件进入I/O周期，同时进行两种操作:在I/OCLOCK的前8个脉冲上升沿，以MSB的方式从DATA INPUT端输入8位数据流到输入寄存器。其中前四位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部自测电压中，选通一路送到采样保持电路，该电路从第四个I/O CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个I/O CLOCK脉冲下降沿。四个I/O CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个I/O CLOCK脉冲下降沿。I/O周期的时钟脉冲个数与输出直到最后一个I/O CLOCK脉冲下降沿。