摘要：設(shè)計一種低成本高精度的通用模擬采集模塊。采用熱電阻實時采集多點工控場合的溫度信息，通過電子開關(guān)將多路測溫電路與AD芯片相連，簡化電路結(jié)構(gòu)?；贛odbus通信協(xié)議，通過RS 485網(wǎng)路與主機(jī)通信，保證模塊的通用性和實時性。并設(shè)計了一種改進(jìn)的高準(zhǔn)確度PWM轉(zhuǎn)DAC電路。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。
關(guān)鍵詞：Modbus；溫度采集；PWM；DAC

    在化工產(chǎn)業(yè)，機(jī)械加工，工業(yè)制造等領(lǐng)域經(jīng)常要考慮到溫度對測量或加工的影響，因此對溫度的測量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的使用場合，溫度采集裝置的穩(wěn)定是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)。本文針對上述背景，設(shè)計了通用多通道檢測模塊。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    模塊采用單片機(jī)ATmega48為控制核心，多路恒流源測溫電路通過電子開關(guān)CD4051與13位A／D轉(zhuǎn)換器MCP3301相連，通過單片機(jī)控制3／8譯碼器74HC138進(jìn)行通道選擇；模塊通過基于Modbus通信協(xié)議的RS 485接口與主機(jī)通信；并具有一路PWM轉(zhuǎn)DAC電路。模塊適用于與PLC等主機(jī)連接，各通道實時檢測數(shù)據(jù)保存于各通道的保持寄存器中，當(dāng)接收到主機(jī)讀取命令時將數(shù)據(jù)發(fā)送。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    系統(tǒng)主要硬件部分控制電路：MCU、溫度測量電路、PWM轉(zhuǎn)DAC電路、電源電路和RS 485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內(nèi)部測量電路，提高抗干擾性能，將通信接口電路通過光藕隔離，且工作電源具有兩路隔離電源，本文采用開關(guān)電源，具有效率高、重量輕和體積小的特點，并可兼容交、直流24 V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測溫電路以及PWM輸入的DAC電路。
2．1 熱電阻溫度測量電路
    本模塊的熱電阻選用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。在-50～+600℃中溫范圍內(nèi)，與其他熱敏元件相比，鉑電阻溫度傳感器測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力較強(qiáng)。
    鉑電阻測溫電路主要有兩種：橋式測溫電路和恒流源式測溫電路。
    橋式測溫電路主要是利用調(diào)整電橋的電阻參數(shù)，抵消電橋兩端的電壓波動，以突出熱電阻變化引起的電壓，當(dāng)采用三線制時可以消除引線誤差，但存在非線性誤差和電路相對復(fù)雜等問題。
    恒流源式測溫電路利用穩(wěn)定電壓給熱電阻以恒定電路流，保證熱電阻上的電壓和其阻值變化成線性關(guān)系的。在保證基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定的情況下，可以簡化電路結(jié)構(gòu)，另外根據(jù)熱電阻和輸出電壓線性關(guān)系，更加有利于溫度的計算和校正。恒流源式測溫的基本應(yīng)用電路如圖2所示。

    圖2中虛框部分即為恒流源電路。運(yùn)放U1A將輸入的基準(zhǔn)電壓VREF轉(zhuǎn)換為恒流源，激勵熱電阻RT。熱電阻兩端電壓，經(jīng)過U1B運(yùn)放組成的雙端輸入單端輸出放大電路，將信號放大10倍，即輸出期望的檢測電壓信號。該輸出信號通過電子開關(guān)與A／D轉(zhuǎn)換芯片相連。
    電子開關(guān)的通路電阻較小，僅為幾百歐姆，而A／D測量電路一般呈現(xiàn)高阻態(tài)，其帶來的誤差可以忽略。
    檢測精度和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A／D)的分辨位數(shù)有很大關(guān)系，一般單片機(jī)內(nèi)帶的A／D位數(shù)分辨率較低(ATmega48內(nèi)含10位A／D)，不適合精確測量，而高分辨率的A／D芯片價格昂貴。本文兼顧了性能價格比，采用了外擴(kuò)一片低成本的13位A／D芯片MCP3301。通過改進(jìn)軟硬件設(shè)計，實際測量結(jié)果證明可以保證誤差不超過0．5％。
2．2 PWM轉(zhuǎn)DAC電路
    在電子和自動化技術(shù)的應(yīng)用中，也經(jīng)常需要提供模擬輸出，如變送器和控制器類儀器，經(jīng)常需要輸出0～10 V，0～20 mA(或4～20 mA)的直流信號。高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片或集成了DAC的單片機(jī)價格昂貴。應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出，經(jīng)過簡單的變換電路實現(xiàn)DAC，可以大大降低電子設(shè)備的成本。
    通過一個低通濾波器就可以把PWM調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號解調(diào)出來，實現(xiàn)從PWM到DAC的轉(zhuǎn)換ATmega48具有16位定時器的PWM輸出功能，實現(xiàn)的DAC電路輸出精度基本滿足一般的工業(yè)控制場合。另外在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的場合，模擬輸出容易受到干擾，本文通過使用恒流方式驅(qū)動電路來提高DAC電路的負(fù)載和抗干擾能力。具體原理圖如圖3所示。

    圖3中單片機(jī)輸出的PWM電壓，經(jīng)過基準(zhǔn)電源VREF和開關(guān)管T1組成的整形電路進(jìn)行整形，在A點的輸出波形為理想的PWM波形，幅值由基準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度得到保證，再經(jīng)過兩級阻容濾波和一級跟隨放大器，在B點得到直流分量，即MCU輸出的調(diào)制PWM波在B點得到解調(diào)，實現(xiàn)了DAC功能。可得：
   
    一般PWM轉(zhuǎn)DAC電路到此已經(jīng)完成，本文為了保證更高精度和電路更強(qiáng)的負(fù)載能力，模塊使用了恒流輸出的驅(qū)動電路。由于運(yùn)放U2B的C點和D點電位相等，可得：
   
    采用三極管T2提高輸出驅(qū)動能力，負(fù)載RL的電流和流過電阻R9的電流相等，可得：
   
    由式(3)可以看出無論負(fù)載電阻RL的值如何改變，并不影響DAC輸出的電流值，這樣設(shè)計的好處是可以方便地更改輸出電阻RL，保證了模擬輸出量值的準(zhǔn)確度，提高了負(fù)載能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件主要由溫度測量程序和Modbus通信中斷程序組成。
    測溫程序主要負(fù)責(zé)溫度采集，主要工作在于建立熱電阻溫度和電阻值的分度表，并判斷每路檢測結(jié)果是否出現(xiàn)溫度是否異常，是則重新測量。正確的測量結(jié)果將保存于保持寄存器，等待上位機(jī)讀取。溫度測量程序流程圖如圖4所示。

    當(dāng)模塊接受到主機(jī)的讀取命令時，則進(jìn)入通信中斷程序。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制上的一種通用通信協(xié)議。主要有兩種通信模式：ASCII和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU比ASCII能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此采用RTU模式來實現(xiàn)模塊的MoSbus通信。它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗碼構(gòu)成。Modbus協(xié)議的通信中斷程序流程圖如5所示。

4 結(jié)語
    本模塊采用了AVR單片機(jī)為控制核心，采用外擴(kuò)一片低成本的13位A／D芯片，通過電子開關(guān)切換實現(xiàn)多路測溫電路。設(shè)計了一種PWM轉(zhuǎn)DAC電路?；贛odbus通信協(xié)議，通過RS 485網(wǎng)路與主機(jī)通信。結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高，通用性好。實際使用中，在高溫和強(qiáng)干擾環(huán)境下，模塊仍能正常工作。