提高多路非直流量A／D數(shù)據(jù)采集時(shí)間的一種方法

盧秀和， 陳 楠， 王艷雙

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

A／D轉(zhuǎn)換是PIC18F4520單片機(jī)一個(gè)主要的組成模塊，由于單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字量進(jìn)行識(shí)別，這時(shí)就需要設(shè)置一種模擬接口，用于把連續(xù)不斷的模擬量轉(zhuǎn)換成一系列不連續(xù)的、離散的數(shù)字信號(hào)，以方便對(duì)所需監(jiān)控的狀態(tài)進(jìn)行讀取［1］。

PIC18F4520單片機(jī)的A／D模塊為10位A／D，占用兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即低地址的8位和高地址的低2位［2］。

這樣看來(lái)，如果所采集的信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)換出相同的數(shù)字量，反之，當(dāng)采集的信號(hào)為非直流信號(hào)時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)換出不同的數(shù)字量。由于一些系統(tǒng)需要對(duì)一些非直流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，這樣就無(wú)形中加大了對(duì)單片機(jī)的工作約束。文中提出一種相對(duì)于傳統(tǒng)對(duì)順序多路非直流信號(hào)采集時(shí)的方法——循環(huán)中斷式采集。這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，降低了單片機(jī)對(duì)執(zhí)行程序時(shí)間的要求，同時(shí)提高了采集精度。

A／D采集運(yùn)用到剩余電流探測(cè)器（電器火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的一種，通常含有四路A／D采集信號(hào)）中，如果采用常規(guī)順序A／D采集方法，不僅加大了PIC18F4520單片機(jī)對(duì)程序執(zhí)行時(shí)間的要求，同時(shí)還降低了系統(tǒng)的精度。采用循環(huán)中斷式采集方法時(shí)，相對(duì)于常規(guī)方法來(lái)說(shuō)，不僅降低了程序執(zhí)行的時(shí)間，同時(shí)加大了系統(tǒng)的精度。

1 逆變系統(tǒng)多路非直流采集信號(hào)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通過(guò)分立式剩余電流探頭分別檢測(cè)出四路剩余電流，接入機(jī)器的四路輸入，然后對(duì)每路電流進(jìn)行整流，運(yùn)用單項(xiàng)橋式整流電路，去掉四路信號(hào)中小于0的波形，然后送入運(yùn)算放大器中進(jìn)行放大，同時(shí)完成了把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行采集，將輸出的電壓信號(hào)傳入PIC18F4520單片機(jī)中進(jìn)行采集。放大電路如圖1所示［3－4］。

圖1 模擬輸入信號(hào)處理電路

由于PIC18F4520單片機(jī)內(nèi)部的A／D模塊供電電壓為5V，因此，在設(shè)計(jì)此電路時(shí)必須保證運(yùn)算放大器輸出到A／D接口的波形最大值不得超于5V，否則導(dǎo)致單片機(jī)燒毀。

1.2 搭建硬件電路的系統(tǒng)

搭建硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

1.3 四路A／D采集波形

通過(guò)示波器測(cè)量，四路波形如圖3和圖4所示。

圖3 第一路A／D波形

圖4 后三路A／D波形

從圖中可以看出，所采集的波形周期為20ms，四路 A／D 的平均值分別為230，73，73，73mV。為了提高精度，設(shè)置一周期采集的點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)，這樣要求系統(tǒng)在完成一次完整的循環(huán)時(shí)間（包括四路A／D數(shù)據(jù)處理時(shí)間與系統(tǒng)其它程序執(zhí)行時(shí)間）為20ms／64＝312μs，系統(tǒng)要求對(duì)四路模擬量進(jìn)行采集，而且要求必須是實(shí)時(shí)監(jiān)控。

PIC18F4520采用的A／D電壓為內(nèi)部電壓，即5V，為10位 A／D，A／D數(shù)據(jù)換算公式［5］:

分別把230mV，73mV代入式（1），得到四路 A／D采集數(shù)據(jù)為:47，14，14，14，轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制數(shù)為0x002F，0x000E，0x000E，0x000E。

2 編程思路

主要介紹用到的兩種濾波程序。為了進(jìn)一步提高A／D采集精度，運(yùn)用了3點(diǎn)去壞值和滑動(dòng)平均值濾波兩種濾波程序［6］。

3點(diǎn)去壞值:在定時(shí)器定時(shí)312μs的時(shí)間內(nèi)，對(duì)所采集的模擬信號(hào)連續(xù)采集3個(gè)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行3個(gè)數(shù)據(jù)的比較，去掉最大值與最小值，留下中間值作為本次采集所得值，然后將此數(shù)據(jù)送入滑動(dòng)平均值濾波區(qū)，進(jìn)行滑動(dòng)平均值濾波［7］。

滑動(dòng)平均值濾波:對(duì)四路A／D分別在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開(kāi)啟占有64個(gè)12位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，把經(jīng)過(guò)3點(diǎn)去壞值的數(shù)據(jù)放入此存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，當(dāng)放滿64個(gè)數(shù)據(jù)后，算出此時(shí)的平均值，作為模擬輸入量的平均值，然后當(dāng)下一個(gè)經(jīng)過(guò)3點(diǎn)去壞值的數(shù)據(jù)來(lái)之前，對(duì)濾波存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)左移，即把第1個(gè)數(shù)據(jù)去除，第2個(gè)數(shù)據(jù)賦值給第1個(gè)，以此類推，最終把第64個(gè)數(shù)據(jù)賦值給63，然后把此時(shí)經(jīng)過(guò)3點(diǎn)去壞值的數(shù)據(jù)賦值給第64位，以后當(dāng)每次采集得到數(shù)據(jù)時(shí)，都經(jīng)過(guò)此方法進(jìn)行循環(huán)左移。算出每次濾波區(qū)的平均值即可［8］。

為了更加準(zhǔn)確地證明相對(duì)于常規(guī)順序采集方法，文中提出的循環(huán)中斷式采集方法能夠更加準(zhǔn)確地采集模擬信號(hào)，對(duì)兩種方法都進(jìn)行了編寫(xiě)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序。

3 常規(guī)順序A／D采集方法

簡(jiǎn)單的理解方法就是，當(dāng)采集完第一路A／D模擬量時(shí)，馬上開(kāi)始對(duì)第二路A／D數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，依次類推第三路與第四路。系統(tǒng)采集流程圖如圖5所示。

圖5 常規(guī)順序A／D采集方法流程圖

從圖中可以看出，此方法要求四路A／D的采集時(shí)間與數(shù)據(jù)處理時(shí)間要求在一次定時(shí)器定時(shí)之內(nèi)完成，這樣就可能出現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大于定時(shí)器定時(shí)時(shí)間，導(dǎo)致不能正確采集四路模擬量，從而不能得到正確的數(shù)字量。

經(jīng)過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序發(fā)現(xiàn)，如果采集點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)系統(tǒng)無(wú)法得到正確的平均值，為了能得到正確的平均值，只好減少點(diǎn)數(shù)，這樣才能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)程序，直到減少到16點(diǎn)后，才得以成功，這樣就要求定時(shí)器定時(shí)為20ms／16＝1.25ms。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從數(shù)據(jù)的變化可以看出，完全符合波形變化。但是此種方法由于采樣點(diǎn)數(shù)的減少，從而加大了誤差，而且對(duì)時(shí)間的要求非常嚴(yán)格。

通過(guò)采集的數(shù)據(jù)可以得到平均值為0x002A，0x000B，0x000B，0x000A，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為42，11，11，10，相對(duì)于測(cè)得的數(shù)據(jù)47，14，14，14，可以算出誤差比例為10%，21%，21%，38%。

表1 常規(guī)順序A／D采集所得數(shù)據(jù)

4 循環(huán)中斷式采集方法

本方法是在系統(tǒng)采集完一路A／D模擬量之后，進(jìn)行A／D數(shù)據(jù)處理程序與系統(tǒng)其它程序的執(zhí)行，在第二次進(jìn)入定時(shí)器中斷后，開(kāi)始對(duì)第二路A／D模擬量的采集，以此類推第三路與第四路。系統(tǒng)采集流程如圖6所示。

圖6 循環(huán)中斷式采集流程圖

從圖中可以看出，此方法只需要求對(duì)一路A／D采集時(shí)間與數(shù)據(jù)處理時(shí)間在一次定時(shí)器定時(shí)之內(nèi)完成，不管采集的模擬量為四路或者更多，都不會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的嚴(yán)格要求。

經(jīng)過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序，可以得到正確的平均值，由于采集點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)，從而加大了精確度。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 循環(huán)中斷采集所得數(shù)據(jù)

通過(guò)采集的數(shù)據(jù)可以得到平均值為0x002E，0x000E，0x000E，0x000D，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為46，14，14，13，相對(duì)于測(cè)得的數(shù)據(jù)47，14，14，14，可以算出誤差比例為2%，0，0，7%。

5 兩種方法的快速性比較

通過(guò)兩種實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以得到一些性能指標(biāo)參數(shù)的對(duì)比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3［8］。

表3 兩種方法參數(shù)對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，文中提出的循環(huán)中斷式采集方法在占機(jī)時(shí)間上為常規(guī)方法的1／4，為系統(tǒng)執(zhí)行其它程序釋放了相當(dāng)大的時(shí)間，在使用PIC18F4520單片的程序存儲(chǔ)器少于常規(guī)方法，同時(shí)提高了系統(tǒng)的采集精度［9］。運(yùn)用到剩余電流檢測(cè)器中，保證了機(jī)器本身更加準(zhǔn)確的運(yùn)行、及時(shí)的報(bào)警以及相應(yīng)的處理工作。

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