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    董志強(1981- )
男，河北廊坊人，碩士研究生，（華北計算機系統工程研究所，北京和利時系統工程有限公司  北京  100083）主要研究方向是數據采集與處理。

摘要：本文設計了一種基于Σ-ΔADC的熱電阻信號采集從站模塊，比較了工業過程控制中模數轉換的三種常用方法，詳細介紹Σ-ΔADC原理和硬件電路，給出了軟件主要流程圖。本模塊利用ADS1242這款24位高精度Σ-ΔADC和80C52內核單片機進行多通道熱電阻信號的采集和處理，具有實用性強、精度高、可靠性高等優點。

關鍵詞：RTD；A/D；Σ-Δ；過采樣

Abstract: A RTD signal-collection slave module based on Σ-ΔADC is designed in this article. It introduces three common methods with respect to analog to digital conversion in industrial process control by comparison, describes the principle and hardware circuit of Σ-ΔADC in detail and provides the main software flow charts. The module uses the Σ-ΔADC (Part No.: ADS1242) of 24 bit high precision and 80C52 core MCU to collect and process the RTD signal in multi-channel, and is featured with high practicability, high precision and high reliability.

Key words:   RTD; A/D; Σ-Δ; Oversampling

1 引言

    工業過程控制中需要對現場模擬信號進行采集和處理。用于工業過程控制中的基本模擬信號采集（AI）設備有三類：熱電阻（RTD）輸入設備、熱電偶（TC）輸入設備和變送器信號輸入設備。其中熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。

    對于上面這些模擬信號的采集AD轉換技術很關鍵，在工業過程控制系統中，從成本和性能綜合考慮，主要應用的AD轉換類型是：逐次逼近型，積分型，過采樣（Σ-Δ）型這三種。積分型轉換過程中帶來的誤差比較大；逐次逼近型轉換精度相對較高，但是對于高位數轉換，轉換位數越多，精度越高，制作成本就越高；而Σ-Δ型可以以相對逐次逼近型簡單的電路結構,而得到低成本、高位數及高精度的轉換效果?；谏厦娴脑蚴沟忙?Δ型轉換方式應用越來越廣泛。此模塊就是使用Σ-ΔADC將RTD信號轉換成數字量上報到DP主站。

2 總體設計

    圖1為模塊總體設計，模塊由信號變換與信號調理電路、A/D轉換電路、DP通訊電路、電源DC/DC轉換電路、CPU電路等組成。模塊依靠64針連接器，引入6路現場熱電阻信號。熱電阻信號通過信號調理轉換為相應電壓信號，再分別通過濾波、模數轉換送入CPU單元，CPU負責將RTD數據通過現場總線(PROFIBUS-DP) 上傳至主站，從而完成RTD信號的采集工作。

3 A/D轉換原理

    3.1  ADC方式比較

    3.3.1   逐次逼近型ADC

    逐次逼近型轉換方式是按照二分搜索法的原理，將需要轉換的模擬信號與已知的不同參考電壓進行多次比較，使得轉換后的數字量在數值上逐次逼近模擬量對應的值。

    逐次逼近型A/D轉換器的優點是電路結構簡單，轉換速度較快，可以達到100萬次/秒，但是對于高精度的模數轉換電路需要高精度的電阻和電容匹配網絡，故精度不會很高。在低精度（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。

    3.3.2  積分型ADC

    積分型模數轉換技術在低速、高精度測量領域有著廣泛的應用。積分型模數轉換技術有單積分和雙積分兩種轉換方式，單積分方式的工作原理是將輸入電壓信號轉換成時間間隔(脈沖寬度信號)，然后對時間間隔計數，從而間接把模擬量轉換成數字量的一種方法。由于其受到斜坡發生器、比較器精度及時鐘脈沖穩定性的影響轉換精度不高。為了提高積分型轉換器在同等條件下的轉換精度，可以采用雙積分型轉換方式，其通過對輸入模擬信號的兩次積分，部分抵消了由斜坡發生器產生的誤差，提高了轉換精度[1]。

    雙積分型轉換方式優點是成本比較低；精度相對較高；抗干擾能力強，由于積分電容的作用，能夠大幅抑制高頻噪聲。但是轉換速度太慢，精度隨轉換速率的增加而降低。

    3.3.3  Σ-Δ型ADC 

    過采樣的轉換器數字電路比較復雜，因而放松了對模擬電路的相關要求[2]。Σ-Δ型ADC主要由Σ-Δ調制器、抽取濾波器兩部分組成，其中核心部分是Σ-Δ調制器。Σ-Δ調制器原理上近似于積分型ADC，是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，因采用過采樣技術，能把大部分量化噪聲分布在更寬的頻帶內，使得分布在輸入信號范圍頻率附近的噪聲功率密度大大減小。用抽取濾波器濾掉高頻噪聲后，從數據流中提取出有用的信息而得到數字值。因而過采樣的Σ-ΔADC容易做到很高的精度。

    Σ-Δ調制器原理示意圖如圖2所示，其中U1為一個積分器，U2是一個比較器（也可看作一位的ADC），U3是一個D觸發器，U3在每一個時鐘到來時會鎖存比較器U2的輸出結果，向U4（比較器，負端接參考電壓，也可看作一位的DAC）輸出“高”或“低”的數字信號，U4將這個數字信號轉化為+V/-V的電壓信號，回饋給積分器U1。

    假定U1的輸出為正，則U2的輸出為“高”信號到U3的D輸入端，在下一個時鐘到來時，U3通過Q將這個“高”信號送到U4的輸入端，U4接受到一個大于閾值電壓（1/2V）的信號，會輸出一個+V的電壓信號到積分器U1的輸入端，這個+V的反饋電壓信號，會使積分器U1的輸出向負電壓變化，等到積分器的輸出變為負，則反饋電路U4會輸出一個-V的電壓信號到積分器U1的輸入端，使積分器的輸出電壓向正電壓變化，在D觸發器U3的輸出端會得到一連串的比特流輸出信號這就是Σ-Δ調制器的原理[3]。

圖2    Σ-Δ調制器原理圖

圖4   主程序流程圖

    4.2  A/D 采集數據程序流程說明

    當主程序進入數據采集子函數SAMP_data()時，依次選通1～6通道進行數據采集。采集數據時，先進行通道選擇，然后等待該通道數據采集完畢，之后讀取采集結果。根據采集結果診斷是否斷線，如果短線則發送診斷信息數據處理，否則進行采集到的結果填入發送緩沖區。最后上報相應通道的采集數據。軟件流程如圖5所示。

圖5   A/D轉換采集數據程序流程

5  總結

    本文比較了工業控制過程中常用的三種模數轉換類型，詳細介紹了過采樣技術的原理及AD轉換電路，給出了模塊軟件設計方法。經試驗證明此模塊工作穩定，采集數據精確，實時性好，已應用于實際的工業過程控制現場。

參考文獻：

    [1]王常力，羅安．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M]．北京： 電子工業出版社，2004.

    [2]David Johns, Ken Martin．Analog Integrated Circuit Design．John Wiley & Sons (Asia) Pte. Ltd，1996.

    [3]Tony R. Kuphaldt．Lessons In Electric Circuits, Volume IV – Digital．http://www.allaboutcircuits.com/pdf/DIGI.pdf， 2007.

    [4]Texas Instrunmnts．24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER[EB/OL]． http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1242.pdf，2007.