程控滤波器电路 - 以太网的远程控制信号调理系统

　　常用滤波器是由RC元件和集成运放所组成的有源滤波电路。其滤波特性与电阻R和电容C的精度密切相关，由它们组成的参数可调滤波器不仅对器件的精度要求较高，而且电路结构复杂，不易于实现程序控制。MAX261是一款双二阶开关电容有源滤波器。滤波器参数f0(中心或拐点频率)、Q值、MODE(模式)均可由微处理器分别编程写入，无需外接元件即可构成带通(BP)、低通(LP)、高通(HP)、陷波(N)及全通(AP)有源滤波器。

　　图3为MAX261构成的程控滤波器电路。MAX261的4位地址线(A0～A3)、2条数据线(D0～D1)和1条写使能允许信号(/WR)，分别与ATmega128的I/O端口连接，使控制器可以通过I/O端口对MAX261的各参数进行程序控制。如图3右侧所示，通过短路冒可以选择3种不同的滤波器类型(低通、带通和高通)。

　　2.3 程控放大器电路

　　多路开关和运算放大器相结合是实现程控放大器的简易、有效的方法。利用多路开关来改变反相运算放大器的反馈电阻或者输入电阻，可以达到改变增益大小的目的。对于精度要求高的场合，可以选用高精度的运放和电阻，并配合相应的增益标定以满足系统要求。

　　如图4所示，程控放大器电路主要由低噪声精密运放OP27和8选1模拟开关MAX308组成。OP27是低噪声、精密运算放大器，失调电压为25μV且最大漂移为0.6μV/℃，非常适合于精密仪表应用。在10 Hz下，低噪声、低噪声转折频率以及高增益这些特性，使其能对低电平的信号进行精密的高增益放大。8 MHz的增益带宽积和2.8 V/μs的转换速率，使该放大器在高速数据采集系统中保持极好的动态精度。程控放大器单位增益时，带宽要求为100 kHz，OP27是能够满足的。MAX308的输入输出范围达-10～+10 V，导通电阻小于100 Ω，导通电阻一致性小于3Ω，可以满足系统需求。为节省I/O口，控制信号由MC74HC595进行串行/并行转换后再实现MAX308的开关切换，进而完成信号增益的调节。电阻选用RJJ型精密小型金属膜电阻，精度为±0.5%，温漂系数为±50×10-6/℃。

　　在图4的电路中，通过软件控制开关的闭合或断开，用于选择不同反馈电阻来改变电路的增益。但该方法的缺点也是显而易见的：由于切换开关与反馈电阻串联，开关的导通电阻将影响放大器的增益。考虑到速度和精度的要求，取输入电阻Rin=10kΩ，对应于8个档位0.1、0，5、1、2、5、10、20、50的反馈电阻Rf分别为1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、200 kΩ、500 kΩ。

　　3 系统软件设计

　　根据设计需求，软件部分要求：

　　①控制器电路支持TCP/IP协议的以太网通信;

　　②通过网页浏览器或上位机数据控制软件登录程控信号调理系统，并对滤波器参数和放大器增益进行查看、修改和保存。

　　运行于ATmega128之上的嵌入式软件是基于RTOSNut/OS的嵌入式以太网应用设计，应用程序的核心任务是实现以太网通信并解析指令实现对后续硬件电路的控制。应用程序包含了两个线程：一个是主线程(即TCP服务器端线程)，另一个是放大器参数群设置线程。在Nut/OS中这两个线程被设置成相同的优先级。

　　主线程程序流程如图5所示。主线程首先进行CPUI/O端口配置、定时器T2模式设置，以及IP、MAC、Mask和Gateway配置，恢复CPU掉电前程控放大器的放大倍数和程控滤波器的滤波参数，在创建放大器参数设置线程后将进入TCP，Socket服务器端程序，并开始侦听TCPSocket客户端引入的连接，在接收到客户端发出的指令后将执行相应的动作。WrAmp字符串为放大器的放大倍数指令，可用于设置放大器的放大倍数;RAAmp指令用于从EEPROM中获取放大器参数并发往客户端;SetMX用于从指令中获取滤波参数值;q[uit]用于断开连接。

　　放大器参数群设置线程程序流程如图6所示。采用这种双线程参数设置结构，可以在确保指令被后续硬件电路正确执行的前提下，缩短TCP Socket的连接时间，加快上位机数据控制软件对多个程控信号调理系统批量控制的速度。

　　为了便于单机调试，嵌入式程序设计中还增加了http服务线程，系统管理员使用Web浏览器即可访问ATmega128上的静态网页，对滤波器参数和放大器增益进行查看、修改和保存。

　　在上位机开发可视化的数据控制软件，通过Socket套接字实现数据控制软件与ATmega128间的通信。ATmega128程序作为服务器端，而上位机数据控制软件作为客户端，客户端设置好服务器端的IP与端口号，即可通过Socket套接字进入连接状态，双方便可进行信息交换。上位机数据控制软件由此控制程控信号调理系统的滤波器参数和放大器增益，进行查看、修改和保存。此种控制方式可以满足上位机数据控制平台对众多程控信号调理系统的统一控制。