基于Delta-Sigma模数转换器实现智能型测量仪表的设计

引言

现代工业测量仪表以单片机为核心，具有数字显示、开关量输出、超限报警和通信等功能。用于测量各类工业现场的检测信号，是工业控制自动化必不可少的重要检测和控制装置。广泛应用于电力、化工、冶金等部门。

随着元件生产工艺、自动化水平的提高，对测量装置的要求越来越高。为实现低漂移、高稳定、高分辨率，使用了CS5550 A／D转换器。本系统通过简单的跳线，实现了单一仪表对电压、电流、电阻等各信号的采集，通过强大的程序实现各种信号的变换，真正达到了一表多用的智能型仪表。

1 硬件电路设计

仪表各种输入信号经跳线选择，切换测量电路后直接送入CS5550 A／D转换器，转换成数字量送入CPU处理，输入信号经线性化、冷端补偿、外线电阻补偿等运算后，得到测量值送LED显示或经RS-232传给上位机或其它控制器，同时与用户设定的报警值进行比较，从而驱动继电器报警输出。

系统结构如图1所示，测量电路与A／D转换的模拟电路部分是系统设计的关键，直接影响到测量结果的精确程度。软件的核心部分是将采集到的数字信号量转换成准确测量结果，如将热电偶的微弱电压信号转换成对应的温度值。

1．1 A／D转换电路

本系统的A/D转换采用Cirrus Logic公司的两通道、低成本Delta-Sigma模数转换器CS5550芯片，是一种便于设计、性价比高的小体积高集成解决方案。

CS5550集放大器、A／D转换器、数字滤波器、基准电压电路和双向串口于一身。具有方便的片上偏移和增益校准功能，通过串口可重新设置完成初始化，可直接输出精确测量结果。它是一个双通道解决方案。

CS5550的模拟电源与数字电源分开提供，模拟电源部分使用了RC低通滤波电路，增强了系统的稳定性。使用片上提供的基准电压源，简化电路设计。通过 SPI接口与单片机进行通信。CS5550的外围参考电路如图2所示。

1．2 测量电路

测量电路如图3所示，信号输入接在接线端子上，通过跳线选择输入信号的测量电路。这里，跳线可以使用模拟开关替代，通过单片机控制进行切换。

当跳线1、2短接时，测量输入电压信号，可接热电偶的信号输入。

当跳线5、6短接时，测量输入电流信号，电流经过精密电阻r产生压降，这样只需知道电阻r的阻值，便可测得电流值，可接0～10mA、4～20mA标准信号。

当跳线3、4短接时，测量输入电阻信号。电阻测量法可以采用恒流源法，它既可以消除引线电阻的影响，输出电压又不存在非线性，但是造价比较昂贵。

本系统采用三线式电阻测量法，如图3中虚线部分为测量电阻的两根信号线，电阻接地线为第三根线。因为引线通常采用的是同种材料、同等长度，所以引线上电阻产生的压降、温度漂移相互抵消。通过LM336提供稳定的基准电压源，消除电源不稳定对电阻测量的影响。这种方案成本低、测量准确、稳定。

1．3 键盘和LED显示

本系统提供四个按键，接在单片机的P1．0～P1．3上，其功能分别为”菜单”、”+”、”一”、”确定”。按键信息通过定时扫描进行读取，具有软件去抖动，提高稳定性。通过按键对系统进行控制，执行校准、设定值、信号变换类型的切换等。LED显示通过定时中断来进行实时扫描，无闪烁，通过缓冲区机制存取，数据变化时只需更新缓冲区即可。

1．4 EEPROM存储系统

EEPROM用于产品出厂时，系统校准参数永久保存，这样系统上电工作时，首先从EEPROM中读取系统的参数数据。在系统运行长时间后，系统参数可进行重新校准，确保测量的精确性。

1．5 RS-232通信接口

RS-232是系统与上位机或其它控制器的通信接口。通过RS-232可实时地输出测量数据或报警信号数据，作为其它控制器的输入，并可通过RS-232 对运行模式进行设定，为工业控制自动化和组态提供了方便。

1．6 开关量输出电路

该电路作为控制器向外输出信号之用。利用键盘将最高、最低设定值置入内存，并保存到EEPROM中长久保存。仪表随时比较采样值和设定值，并把比较结果以开关量方式输出，达到控制外设的目的。开关量输出电路由光电耦合电路和输出继电器组成，如图4所示。

2 软件设计

软件部分采用模块化编码，主要模块有：系统参数校准模块、数据计算与变换模块、键盘和LED显示模块、CS5550操作模块、93C46 EEPROM存储模块、RS-232通信模块、开关量输出控制模块等。软件系统的总体流程如图5所示。

系统开机后，首先进行初始化，将校准过的系统参数从EEPROM中载入，对I/O、A／D等进行初始化。接下来进入程序主循环，执行键盘扫描，当有按键按下时，进行按键处理，根据按键组合，进行CS5550参数校准、测量电路校准、信号变换类型的切换或参数值设定等。若无按键按下，则对输入信号采样，计算，并根据设定的变换类型进行数据变换后得到信号的测量值，然后刷新显示缓冲区，更新显示。得到的测量值再与开关量的高低设定值比较，输出设定的相应电平，达到控制的目的。最后如有通信要求，执行相应的子程序后回到循环起点。

2．1 校准模块

首先短接图3测量电路中跳线1、2，输入相应的基准信号，进行CS5550的偏移和增益系数校准。然后短接跳线5、6，输入标准电流i后，如取10mA，读取实际的测量值，即电阻r上的压降Ur，则r的阻值为Ur／i，并将该结果保存到EEPROM中作为系统参数之一。最后，短接跳线3、4，下面详细介绍电阻测量电路中参数V，R的校准，待测电阻rx的计算，其等效电路如图6 所示。

如图6所示，rx为待测电阻，沩流经rx的电流，所产生的压降为u，由欧姆定律得到式（1）、（2）。

整理后得式（3），其中V，R为未知数，u是由本系统测得的数据。通过连接精密电阻箱来取代待测电阻，取定rx两个值，如100Ω和400Ω。代入式 （3），解方程组可得V和R的校准值，并存入EEPROM中作为系统参数。

经校准后便可根据式（4）精确地计算出待测电阻rx的值。

2．2 计算与变换模块

经校准和初始化后，CS5550进入测量阶段，通过最新获得的N个瞬时测量值计算出转换有效值后，以满量程的相对百分比方式提供所有的测量结果。其中通道 1具有可编程放大器增益选择，当工作在增益为10的情况下，如果测量结果低于10％，则系统将其增益切换成增益为50；反之，当工作在增益为50的情况下，如果测量结果高于90％，则系统将其增益切换成10。这样不仅测量的信号范围宽，而且提高了系统测量的精确性。

从CS5550读取测量结果转化成相对百分比后，乘上相应的满量程值就可以得出实际测得的电压值u，如果输入的是电流值，则除以系统参数r即为所测得的电流值，如果是测量输入电阻，则根据式（4）计算所测得的电阻值。

得到相应测量信号的实际值后需再进一步地变换。如热电偶输入的是电压信号，需变换成相对应的温度信号，而且电压一温度之问不是线性的变换关系。变换方法可以采用多项式曲线拟合方法或者小区间线性化处理方法。

本系统可进行十几种的信号变换，真正做到一表多用，下面介绍信号变换切换的C语言实现方法，这是通过函数指针来实现的。首先声明函数指针，

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

然后定义该函数指针的一个变量，

convert_tconvert：

下面是一些信号变换的函数原形声明，函数中的参数是测量的电压值，函数返回的是变换后的值，

float lkConvert（float val）： ／／热电偶K级

float lsConveit（float val）：／／热电偶S级

float Pt100Convert（float val）：／／热电阻Pt100

float Cu50Conveit（float val）： ／／热电阻Cu50

信号变换切换方法示例如下，

SWitch（opNum）{

case 1： ／／热电偶K级

convert=lkConvert：

break：

……

｝

确定了信号变换函数，最后是函数调用，举例如下，

unsigned long temp；

float result；

／／从CS5550中读取通道1数据

temp=read（Ox16）；

／／转换成百分比

result=temp／（float）0x0l000000；

／／乘上满量程值

result*=fullScale；

／／执行信号变换

result=convert（result）；

这样result变量就是传感器对应的信号值，如温度。

3 结束语

本系统使用CS5550进行硬件核心电路设计，性价比极高，使用简单的配置实现一表多用，体积小、集成度高、运行可靠，有很好的推广价值。

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