智能溫度儀表設(shè)計(jì)

1、四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能溫度儀表設(shè)計(jì)學(xué) 生：楊志剛學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：自動(dòng)化班 級(jí)：2008.2指導(dǎo)教師：陳昌忠四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院二O一二年六月文檔可自由編輯打印摘 要傳感器是人類了解世界的重要工具，它們能精確檢測我們感興趣的各種物理量，為控制和決策提供依據(jù)。在信息時(shí)代，人類已經(jīng)難以獨(dú)自處理如爆炸般涌現(xiàn)的信息了，我們希望傳感器能夠更加智能，比如能夠獨(dú)立完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果報(bào)告以及信息共享等。因此，智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)介紹智能溫度傳感器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建通用的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，并展開應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括智能傳感器的基本概念，基于dsPIC系列數(shù)字信號(hào)控制器設(shè)計(jì)智能

2、溫度傳感器的方法。采用能適應(yīng)各種環(huán)境和應(yīng)用的敏感元件：J型和K型兩種熱電偶，能夠測量270+1370范圍內(nèi)的溫度。盡管這只是一個(gè)基本設(shè)計(jì)，但是這里所描述的應(yīng)用技術(shù)卻可以很容易的擴(kuò)展到更復(fù)雜的應(yīng)用中，比如溫度控制與檢測應(yīng)用。關(guān)鍵詞：溫度；傳感器；dsPIC系列；通信；電路ABSTRACTThe sensor is the important tool of human understanding of the world, they can precisely testing we are interested in all kinds of physical quantities for co

3、ntrol and decision provides the basis. In the information age, the human has been difficult to deal such as an explosion as the emerging information, we hope that the sensor can more intelligence, such as independently signal acquisition, data analysis, the results report and information sharing and

4、 so on. Therefore, intelligent sensor arises at the historic moment. This design is introduced intelligent temperature sensor technology application system design, the construction of the general hardware and software development platform, and spread application design experiments, including intelli

5、gent sensor of the basic concepts, based on dsPIC series digital signal controller design method of the intelligent temperature sensor. Using can adapt to the environment and application of sensitive components: thermocouples. Support J type and K type two thermocouples, able to measure the-270 + 13

6、70 temperature range. Although this is just a basic design, but here the description of the application technology could easily expanded to more complex applications, such as temperature control and test applications. Key Words: Temperature; Sensors; DsPIC series; Communication; Circuit 目錄摘 要IABSTRA

7、CTII第1章 引 言21.1 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域21.2 常規(guī)傳感器31.3 設(shè)計(jì)步驟31.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容4第2章 溫度測量的要點(diǎn)62.1 溫度測量的要點(diǎn)62.2 測量范圍62.3 測量分辨率72.4 測量精度92.5 挑戰(zhàn)9第3章 數(shù)字信號(hào)處理163.1 信號(hào)處理的基本概念163.1.1 信號(hào)和噪聲的明確定義163.1.2 用濾波器凈化信號(hào)183.2 通用的傳感器信號(hào)處理架構(gòu)193.2.1 信號(hào)調(diào)理與獲取193.2.2 預(yù)分析濾波213.2.3 信號(hào)線性化213.2.4 參數(shù)分析213.2.5 后分析濾波213.2.6 故障檢測與處理213.2.7 通信21第4章 dsPIC系列

8、DSC介紹224.1 dsPIC系列的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)224.1.1 dsPIC系列DSC的存儲(chǔ)器224.1.2 DSP引擎234.2 中斷結(jié)構(gòu)234.3 片上外圍設(shè)備244.3.1 數(shù)據(jù)采集外圍設(shè)備244.3.2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊284.4 dsPIC系列具備的通信接口284.4.1 串行通信接口294.4.2 通用異步收發(fā)器294.5 小結(jié)30第5章 智能溫度傳感器設(shè)計(jì)315.1 應(yīng)用設(shè)計(jì)315.1.1 系統(tǒng)指標(biāo)315.1.2 傳感器信號(hào)調(diào)理325.2 硬件實(shí)現(xiàn)355.2.1 模擬放大器和抗混疊濾波器365.2.2 冷結(jié)補(bǔ)償365.2.3 信號(hào)隔離385.3 固件實(shí)現(xiàn)385.3.1 信號(hào)采樣3

9、85.3.2 數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)405.3.3 數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)415.3.4 錯(cuò)誤處理實(shí)現(xiàn)415.3.5 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)41第6章 結(jié)束語42致 謝43參考文獻(xiàn)44附 錄 一45附 錄 二46附 錄 三47附 錄 四48附 錄 五49附 錄 六50第1章 引 言1.1 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域智能傳感器是一種新興的、正在蓬勃發(fā)展的電子設(shè)備。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活、醫(yī)療及工業(yè)領(lǐng)域，在溫控系統(tǒng)、駕駛操作系統(tǒng)、重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、過程控制等應(yīng)用中都有它們的身影。因此，智能傳感器系統(tǒng)開發(fā)的市場前景廣闊，本設(shè)計(jì)正是在此背景下出現(xiàn)的重要技術(shù)參考資料，它深入淺出地介紹了智能傳感器的設(shè)計(jì)方法，其中既包含通用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

10、，也涉及傳感器檢測與處理方面的技巧。借助于目前最流行的微處理器之一：Microchip公司的dsPIC系列數(shù)字信號(hào)控制器，讀者可以在本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下快速搭建智能智能傳感器系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，并展開應(yīng)用試驗(yàn)。1本設(shè)計(jì)采用能適應(yīng)各種環(huán)境和應(yīng)用的敏感元件：熱電偶。用J型和K型熱電偶能夠測量270+1370范圍內(nèi)的溫度。盡管這只是一個(gè)基本設(shè)計(jì)，但是這里所描述的應(yīng)用技術(shù)卻可以很容易的擴(kuò)展到更復(fù)雜的應(yīng)用中，比如溫度控制與檢測應(yīng)用。我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)通用的溫度傳感器硬件和軟件平臺(tái)，為了避免所設(shè)計(jì)的結(jié)果只能用于少數(shù)情況，設(shè)計(jì)中給出的系統(tǒng)指標(biāo)都不太詳細(xì)。1.2 常規(guī)傳感器在設(shè)計(jì)智能傳感器之前，首先應(yīng)當(dāng)更深入地研究

11、一下常規(guī)傳感器，為我們接下來設(shè)計(jì)智能傳感器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一，為了確保傳感器能夠有效的測量，通常必須對他們進(jìn)行標(biāo)定，也就是說，傳感器的輸出必須符合某個(gè)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)，這樣他們測得的數(shù)值才能真實(shí)地反映被測參數(shù)的值。第二，傳感器的性能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為漂移，除非我們通過某種方法來補(bǔ)償漂移，否則傳感器的性能就會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，而這些變化是我們不希望出現(xiàn)的。第三個(gè)問題是，不但傳感器本身的性能會(huì)隨時(shí)間而變化，就連他們所處的工作環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化。第四，大多數(shù)傳感器都需要某種特殊的硬件：信號(hào)調(diào)理電路，這樣才能用于檢測或者控制的應(yīng)用中。最后，常規(guī)傳感器通常需要在物理空間上靠近接受檢測信號(hào)的控制和

12、監(jiān)控系統(tǒng)。我們真正需要做的是研究新技術(shù)，解決或者能大幅緩解傳感器的標(biāo)定、漂移以及信號(hào)調(diào)理等方面的問題。下面將介紹在這幾方面目前已經(jīng)做出的成果以及智能溫度儀表的設(shè)計(jì)過程。11.3 設(shè)計(jì)步驟1. 第一步：傳感器信號(hào)數(shù)字化這一步極為關(guān)鍵，如今的設(shè)計(jì)中都包含一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這一步被稱作模-數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱A/D轉(zhuǎn)換，簡記為ADC，一旦將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，那么就能通過位處理器中運(yùn)行的軟件來完成信息處理。2. 第二步：增加一些智能將傳感器信號(hào)數(shù)字化之后，主要是采用微處理器來處理這些數(shù)據(jù)。因?yàn)槲⑻幚砥鬟m用的場合廣泛，具有更好的設(shè)計(jì)靈活性，并且成本低廉。3. 第三步：實(shí)現(xiàn)快速

13、而可靠的通信如果能實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)共享，那么就可以很容易地?cái)U(kuò)大那些需要共享傳感器輸出信號(hào)的系統(tǒng)的規(guī)模。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們必須裝備帶有標(biāo)準(zhǔn)通信接口的智能傳感器，使它們能與其他部件交換信息。通過標(biāo)準(zhǔn)通信方式，我們就能保證盡可能廣泛、簡單和可靠地共享傳感器輸出信號(hào)，從而最大限度的發(fā)揮傳感器及其產(chǎn)生的信息的作用。4. 第四步：將所有東西連在一起，就得到一個(gè)智能溫度傳感器智能傳感器的三個(gè)必備特征：（1）含有用于測量一個(gè)或多個(gè)物理量的敏感元件。本設(shè)計(jì)以熱電偶為傳感器。（2）具有用于分析敏感元件所測結(jié)果的運(yùn)算元件。本設(shè)計(jì)以是dsPIC系列DSC為核心設(shè)計(jì)的。（3）與外界相連的通信接口，它使傳感器能在一個(gè)更

14、大的系統(tǒng)中與其他部件交換信息。1.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容采用能適應(yīng)各種環(huán)境和應(yīng)用的敏感元件：熱電偶。熱電偶是一種兩線敏感元件，它能根據(jù)塞貝克效應(yīng)測量兩個(gè)金屬連線接處的溫度。塞貝克效應(yīng)是Thomas Seebeck于1821年發(fā)現(xiàn)的，他指出任何不同金屬結(jié)上的電壓會(huì)隨結(jié)溫而改變。盡管該電壓變化量非常小，通常只有每度數(shù)毫伏，但是通過采用適當(dāng)?shù)哪M和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)就能基于熱電偶構(gòu)建出在很寬范圍內(nèi)就能精確測量溫度的系統(tǒng)?！安捎眠m當(dāng)?shù)哪M和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)”是關(guān)鍵。為了能準(zhǔn)確的測量出熱電偶產(chǎn)生的微弱電壓（毫伏級(jí)）信號(hào)，必須采用良好的接地和屏蔽設(shè)計(jì)，一方是測量電壓中混入無法容忍的噪聲。此外，由于印刷電路板上引

15、線的金屬材料與制作熱電偶的金屬材料不同，因此用于測量原始熱電偶的電路還會(huì)產(chǎn)生額外的塞貝克結(jié)，它們也會(huì)隨溫度而變化！最后熱電偶在其溫度測量范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的非線性，這可以從圖1-1看出（該圖是各種熱電偶對溫度變化的響應(yīng)曲線）。3200400600800100014001200602040800000-20-200-400熱電偶電壓（mV）溫度（單位：）圖1-1三種熱電偶的響應(yīng)曲線J型熱電偶K型熱電偶N型熱電偶采樣熱電偶的響應(yīng)曲線熱電偶非常流行的原因主要有三點(diǎn)：第一它們的價(jià)格相對便宜，第二它們的溫度測量范圍較寬，第三不足之處可以補(bǔ)償。盡管為了克服熱電偶的缺陷需要使用額外的電路和軟件，但是它們能保證傳

16、感器的可靠性，并且其成本和性能滿足很多應(yīng)用的要求。圖1-2是一種硬件框圖的設(shè)計(jì)，但是這絕不是唯一的，那些具備更多模擬設(shè)計(jì)技巧的讀者可以在這里給出電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。傳感器熱電偶調(diào)理電路冷結(jié)補(bǔ)償電路圖1-2 硬件組成框圖抗混疊濾波器隔熱單元dsPIC的ADC模塊這里的放大器單片儀表放大器實(shí)現(xiàn)，其輸出被送入一個(gè)四階的巴特沃斯低通抗混疊濾波器，該濾波器由2個(gè)軌到軌運(yùn)放以及一些無源器件構(gòu)成。第2章 溫度測量的要點(diǎn)2.1 溫度測量的要點(diǎn)在任何溫度檢測系統(tǒng)中，為了得到有意義而準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，就必須注意一些基本問題。如果對這些問題考慮不周，那么就會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。根據(jù)應(yīng)用的具體情況，這些不準(zhǔn)確性可能無

17、關(guān)緊要（比如空調(diào)的恒溫器壞了，那么你只需手動(dòng)將溫度調(diào)節(jié)到期望值即可），也可能導(dǎo)致失敗，甚至可能引發(fā)災(zāi)難（比如氫氣生產(chǎn)線的溫度過高）。在本章的其他部分，當(dāng)討論某個(gè)特殊問題時(shí)，盡管我們將著重討論該問題是如何影響熱電偶傳感器的，但是所討論的問題在任何溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都應(yīng)當(dāng)引起注意，這和所使用的傳感器類型無關(guān)。為了確保系統(tǒng)工作正常，將考慮以下幾個(gè)問題：（1）可以采用的溫度傳感器類型；（2）要求的溫度測量范圍；（3）要求的分辨率和精度（這兩個(gè)不等價(jià)）；（4）熱電偶信號(hào)的特性；（5）已測信號(hào)中的噪聲源。2.2 測量范圍在任何測量系統(tǒng)中，我們必須首先確定需要處理的數(shù)據(jù)范圍。盡管熱電偶能夠測量270+176

18、0范圍內(nèi)的溫度，但是每種每種熱電偶的測量范圍只覆蓋了其中的一部分，具體參見表2-1。然而該表給出的只是每種熱電偶使用的極限條件，還需掌握更多有關(guān)溫度測量范圍的知識(shí)。熱電偶的實(shí)際工作范圍還要根據(jù)其引線的直徑以及引線外皮保護(hù)材料的工作溫度范圍而縮小。表中給出的J型熱電偶的溫度上限為1200，但是查閱商用型帶保護(hù)裸線的J型熱電偶的參考手冊發(fā)現(xiàn)，由8AWG（直徑為0.325cm）導(dǎo)線制成的熱電偶的測量范圍上限只有760。4表2-1 熱電偶的溫度測量范圍類 型 范圍（） B 01820 E 2701000 J 2101200 K 2701370 N 2701300 R 501760 T 2704002.

19、3 測量分辨率要求的測量范圍不僅決定了我們需要使用的熱電偶類型，它還會(huì)影響測量的分辨率，分變率是指能夠測量的精細(xì)程度，通常用讀來表示。對應(yīng)用系統(tǒng)來說，能夠分辨半攝氏度是很普通的要求。但是只有在所使用的ADC以足夠的分辨率對模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)才能滿足上述溫度測量的分辨率要求。為此，必須保證以下兩個(gè)條件：（1）必須將來自熱電偶的模擬輸出信號(hào)變換到能都被ADC數(shù)字化的電壓范圍內(nèi)；（2）ADC必須能夠以期望值的分辨率對變換后的模擬電壓信號(hào)數(shù)字化。然而，該如何完成這種變換呢？其實(shí)過程非常簡單，只需要完成三個(gè)基本運(yùn)算。1.計(jì)算傳感器輸出電壓和ADC輸入電壓范圍的跨度和偏置量： (2-1) (2-2) (

20、2-3) (2-4)其中，SPANSENSOR是傳感器輸出電壓低的跨度；VSMAX是傳感器最大輸出電壓；VSMIN是傳感器最小輸出電壓；OFFSETSENSOR是傳感器輸出電壓偏置；SPANADC是ADC輸入電壓的跨度；VAMAX是ADC輸入電壓的最大值；VAMIN是ADC輸入電壓最小值；OFFSETADC是ADC的輸入電壓偏置。2.計(jì)算將傳感器輸出電壓跨度映射到ADC輸入電壓跨度所需的放大倍數(shù)： (2-5)其中，GAIN是所需的放大倍數(shù)。如果增益大于1，那么傳感器輸出信號(hào)就會(huì)被放大；如果增益小于1，那么傳感器輸出就會(huì)被衰減。3.計(jì)算將傳感器電壓偏置平移到ADC所需的最小電壓： (2-6)其中

21、，SHIFT是在傳感器輸出電壓放大后必須加入的偏置電壓。滿足第一個(gè)條件后，我們還需要進(jìn)行以下檢查，以滿足第二個(gè)條件。只需要三個(gè)步驟。1根據(jù)前面計(jì)算得出所測參數(shù)值相對于傳感器輸出電壓范圍的變化范圍： (2-7)其中，PARMRANGE是與傳感器輸出電壓范圍對應(yīng)的參數(shù)變化范圍； PARMMAX是與最大傳感器輸出電壓對應(yīng)的參數(shù)值； PARMMIN是與最小傳感器輸出電壓對應(yīng)的參數(shù)值。2計(jì)算ADC的分辨率，即確定ADC輸入電壓范圍將被n比特分辨率的ADC分為多少等分： (2-8)其中，RESADC是ADC的分辨率，NumBits是ADC進(jìn)行數(shù)字化的位數(shù)。3計(jì)算所測參數(shù)的分辨率，并表示成單位ADC量化等級(jí)

22、對應(yīng)的參數(shù)值的形式： (2-9)其中，PARMRES是參數(shù)分辨率，表示成單個(gè)ADC數(shù)或等級(jí)對應(yīng)的參數(shù)單位值。132.4 測量精度分辨率與精度是完全不同的概念，分辨率表示可用于計(jì)算測量值的粒度大小，而精度則表示測量度數(shù)的正確程度。這兩個(gè)概念都很重要，但是必須注意二者之間沒有蘊(yùn)含關(guān)系。例如:系統(tǒng)的分辨率可能達(dá)到0.5，但是，如果因?yàn)橄到y(tǒng)的故障而導(dǎo)致測量值都帶有10的偏差，那么分辨率再高也沒用。為什么會(huì)出現(xiàn)這種異乎尋常的錯(cuò)誤呢？第一種原因是傳感器本身有問題，測量不準(zhǔn)確的傳感器就會(huì)引入不精確性，如果這種不精確性可以補(bǔ)償，那么它還可以接受，否則就無法接受。實(shí)際上，不同類型的熱電偶在其工作范圍內(nèi)的精度也不

23、同，比如J型熱電偶的最高精度可達(dá)±0.1，E型、T型和R型熱電偶最高精度可達(dá)±0.5，K型熱電偶的精度為±0.7，而S型的只有±1.0。此外，信號(hào)鏈中的其他因素也會(huì)導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的結(jié)果，包括缺少必要的冷結(jié)補(bǔ)償處理，無法有效抑制共模噪聲，或者電路中引入了非共模噪聲等。通常我們可以補(bǔ)償由傳感器或電路其他元件自身引起的不精確性，由于這些問題不是時(shí)間或溫度相關(guān)的，因此可以通過標(biāo)定和線性化進(jìn)行補(bǔ)償。需要記住的關(guān)鍵問題是分辨率不等價(jià)于精度，因此我們必須同時(shí)保證這兩個(gè)指標(biāo)才能構(gòu)建出穩(wěn)健而可靠的系統(tǒng)。132.5 挑戰(zhàn)熱電偶作為敏感元件遇到的特殊情況。1信號(hào)特性傳感器系統(tǒng)設(shè)

24、計(jì)的第一步就是要確定傳感器輸出信號(hào)在感興趣范圍內(nèi)的特性。這些特性包括信號(hào)的電壓大小、信號(hào)的輸出驅(qū)動(dòng)能力以及預(yù)計(jì)的信號(hào)頻率成分。a.信號(hào)的大小熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓非常小，通常只有數(shù)毫伏。顯然，基于熱電偶的溫度測量系統(tǒng)需要在傳感器輸出和ADC輸入之間采用高阻抗放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的緩沖、放大和平移。通過適當(dāng)選擇放大器的增益和偏置電壓，我們就能設(shè)計(jì)出合適的放大電路，他在熱電偶連線正確或者引腳反轉(zhuǎn)的情況下都能正常工作。b.頻率成分為了確定溫度信號(hào)的頻譜成分，需要掌握一些被測系統(tǒng)的熱特性，以及溫度變化的速度等。估計(jì)系統(tǒng)的最大溫度變化速率約為： (2-10)如果繼續(xù)以在測量分辨率一節(jié)中所使用的12位J型熱電偶為

25、例，那么就可以計(jì)算出該最大溫度變化速率對應(yīng)的ADC量化單位個(gè)數(shù)為： (2-11) (2-12) (2-13)假設(shè)要求跟蹤1個(gè)ADC量化單位的溫度變化，那么就意味著每秒至少得采樣6次。但是，理論的最小采樣速率應(yīng)該至少是最高頻率的兩倍（即12次/秒），而實(shí)際上的采樣平率大約是信號(hào)頻率的5倍（30次/秒）。132.冷結(jié)補(bǔ)償?shù)侥壳盀橹?，有關(guān)熱電偶接口中最困難、也是最不了解的方面就是所謂的冷結(jié)補(bǔ)償（CJC）概念。冷結(jié)補(bǔ)償?shù)幕舅枷胧菧y量冷結(jié)（即熱電偶引線在PCB上的接入點(diǎn)）的溫度，并且將該溫度值加入熱結(jié)（即作為傳感器的熱電偶）的溫度計(jì)算中，從而補(bǔ)償不希望的塞貝克效應(yīng)電壓。一種等效的方法是將冷結(jié)電壓加入熱

26、結(jié)電壓中。為了正確實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須確保：（1）與冷結(jié)相連的熱電偶引線兩個(gè)端點(diǎn)必須保持相同的溫度（即隔熱端點(diǎn)或隔熱勢壘）；（2）測量隔熱勢壘溫度或者產(chǎn)生對應(yīng)電壓的設(shè)備應(yīng)盡可能靠近隔熱勢壘；如果不滿足上述兩個(gè)要求，那么就可能導(dǎo)致溫度測量出現(xiàn)不可修復(fù)的誤差，嚴(yán)重時(shí)該誤差還會(huì)隨溫度而改變。113.線性化除了冷結(jié)補(bǔ)償外，處理熱電偶信號(hào)時(shí)最困難的工作就是將非線性的熱電偶輸出電壓映射到線性的溫度尺度上。分段線性化法的基本思想是將非線性曲線分成若干個(gè)線性段，參見圖2-1。在每段中，我們可以將實(shí)際曲線近似為連接本段起點(diǎn)和終點(diǎn)的直線段。為了計(jì)算估計(jì)值，可以首先確定包含帶估算值的線性段，然后利用對應(yīng)段的斜率和Y軸截

27、距計(jì)算出估計(jì)值。這樣就能用搜索與線性計(jì)算來代替高階多項(xiàng)式運(yùn)算。第二段圖2-1 曲線的分段線性化實(shí)例第三段利用三段直線段作為曲線的線性近似Y3Y2Y1X0Y0X1X2X3待近似曲線在X0與X1之間，利用第一段的線性方程對曲線近似，在X1與X2之間利用第二段線性方程，而X2與X3之間則利用第三段對應(yīng)的線性方程第一段影響該技術(shù)效率的因素有兩點(diǎn)：一個(gè)是用于近似曲線的線性段的個(gè)數(shù)，另一個(gè)是待近似曲線本身的特性。顯然，使用的直線段越多，那么與曲線的匹配度就越高，但是需要花費(fèi)更多的時(shí)間以確定用于線性化的直線段。104.標(biāo)定必須利用一組已知的溫度數(shù)據(jù)對線性化后的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，才能確保硬件計(jì)算后的信號(hào)值足夠精確

28、。到目前為止，應(yīng)用最廣的標(biāo)定熱電偶的技術(shù)是兩點(diǎn)法，它選取兩個(gè)不同溫度點(diǎn)處的測量值制成線性化標(biāo)定參考曲線，然后實(shí)施標(biāo)定。例如，假設(shè)希望測量100900范圍內(nèi)的溫度。那么可以取150和750作為標(biāo)定點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兌嘉挥跍囟葴y量范圍的端部附近，從而能保證我們生成的線性曲線與實(shí)際的熱電偶曲線相差不大。如圖2-2。150450300600750900用于近似實(shí)際熱電偶曲線的線性化標(biāo)定函數(shù)實(shí)際的熱電偶曲線圖2-2 利用150 和750作為標(biāo)定點(diǎn)來標(biāo)定曲線為了說明標(biāo)定過程，分別測量低于和高于標(biāo)定溫度時(shí)的線性化電壓，并計(jì)算標(biāo)定曲線的增益： (2-14) (2-15) (2-16)其中，偏置量為： (2-17)上

29、述公式中，GCAL是標(biāo)定后參考曲線的增益；OFFCAL是標(biāo)定后參考曲線的偏置量；TUCP是上標(biāo)定點(diǎn)的溫度；TLCP是下標(biāo)定點(diǎn)的溫度；VUCP是上標(biāo)定點(diǎn)的電壓讀數(shù)；VLCP是下標(biāo)定點(diǎn)的電壓讀數(shù)。實(shí)際中，傳感器固件會(huì)接收電壓讀數(shù)，對其線性化，并且通過如下公式將它轉(zhuǎn)換成溫度： (2-18)其中：TCAL是標(biāo)定后的溫度讀數(shù)； GCAL是標(biāo)定后的參數(shù)曲線的增益； OFFCAL是標(biāo)定后的參數(shù)曲線的偏置量； VREANDING是線性化的電壓讀數(shù)； VLCP是下標(biāo)定點(diǎn)的電壓讀數(shù)。5.噪聲源由于熱電偶固有的信號(hào)電平較低，因此電氣噪聲的破壞性極大。辛運(yùn)的是，熱電偶的差分信號(hào)具有固有的噪聲消除特性以及溫度信號(hào)和噪聲

30、頻譜，能有效的濾除大部分不需要的信號(hào)。交流電源：最常見的一種電氣噪聲源來自交流電源線輻射，電源線噪聲具有一個(gè)可以彌補(bǔ)的性質(zhì)：它的頻譜帶寬極窄，并且中心頻率位于50Hz或者60Hz附近，而諧波成分則是這些頻率的整數(shù)倍。由于熱電偶的輸出信號(hào)太小，并且驅(qū)動(dòng)電源幾乎為零，因此很容易被電源線污染。但熱電偶信號(hào)會(huì)給我們的設(shè)計(jì)帶來兩點(diǎn)益處：一個(gè)是差分信號(hào)有助于抑制共模噪聲，另一個(gè)是電源線噪聲的頻譜通常位于溫度信號(hào)的寬帶之外。即使電源線噪聲的頻率位于溫度信號(hào)的寬帶之內(nèi)，由于電源線噪聲是窄帶的，因此可以通過帶阻濾波器有效地將其濾除。如圖2-3至圖2-6所示。8-FpFp-FtFt含有帶外電源線噪聲的溫度信號(hào)頻率

31、響應(yīng)的幅度需要的溫度信號(hào)的頻譜不需要的電源線噪聲的頻譜圖2-3采樣含有帶外電源線噪聲的溫度信號(hào)f-Fp1Fp-FtFtf頻率響應(yīng)的幅度利用低通濾波器濾除電源線噪聲圖2-4 利用低通濾波器濾除帶外電源線噪聲頻率響應(yīng)的幅度去除了帶外電源線噪聲的濾波后的溫度信號(hào)-FtFt-FpfFp需要的溫度信號(hào)的頻譜不需要的電源線噪聲的頻譜以被消除圖2-5濾波后的傳感器信號(hào)含有大量帶內(nèi)電源線噪聲的溫度信號(hào)頻率響應(yīng)的幅度需要的溫度信號(hào)的頻譜f-FtFt-FpFp不需要的電源線噪聲的頻譜圖2-6 溫度信號(hào)與電源線信號(hào)的頻譜重疊時(shí)的采樣結(jié)果6.故障條件在熱電偶上端接高阻抗偏置電阻并且注意被測熱電偶電壓的特性，就能很容易

32、地檢測出以下兩種嚴(yán)重錯(cuò)誤。a熱電偶開路即熱電偶兩引腳上的連接結(jié)已被切斷，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在那些存在嚴(yán)重的機(jī)械沖擊和熱沖擊的系統(tǒng)中。通過在熱電偶輸入連線上添加兩個(gè)匹配的高阻抗電阻就能直接檢測出這種錯(cuò)誤，具體參見圖2-7。一旦結(jié)斷開，熱電偶的引腳就會(huì)被偏置到輸入電壓范圍的極端處，這就很容易被dsPIC系列DSC檢測出來。+3.3V3.3V在熱電偶輸入端添加敏感電阻以檢測錯(cuò)誤圖2-7 在熱電偶輸入端添加敏感電阻TC+輸入TC輸入R1R2b熱電偶反接由于熱電偶引腳具有極性，因此它們可能被接反。當(dāng)熱電偶反接時(shí)，測量到的信號(hào)電壓會(huì)隨溫度的增大而降低，但是由于我們通常不知道實(shí)際溫度到底是增大了還是減小了，因

33、此確定熱電偶是否反接的唯一方法是檢測信號(hào)是否超出正常輸出范圍的下限。例如，J型熱電偶在低于0的溫度下產(chǎn)生負(fù)電壓，因此，如果感興趣的溫度測量范圍是0500，那么一旦出現(xiàn)負(fù)電壓就表明熱電偶接反了。第3章 數(shù)字信號(hào)處理3.1 信號(hào)處理的基本概念首先對“信號(hào)”和“噪聲”給出一個(gè)精確的定義，然后在時(shí)域和頻域分析信號(hào)，講述濾波技術(shù)基礎(chǔ)。濾波技術(shù)主要用于從含有噪聲的數(shù)據(jù)中提取所需要的信息。3.3節(jié)將以本節(jié)內(nèi)容為基礎(chǔ)并創(chuàng)建一個(gè)通用的傳感器信號(hào)處理架構(gòu)，并可以將這個(gè)架構(gòu)應(yīng)用于各種智能傳感器應(yīng)用當(dāng)中。3.1.1 信號(hào)和噪聲的明確定義“信號(hào)”一詞的解釋是電壓或電流等波動(dòng)的電氣物理量或脈沖，這種變化代表了某種編碼信息

34、，這個(gè)定義可以作為理解信號(hào)的起始點(diǎn)。電信號(hào)有一個(gè)有趣的特性就是它們遵循疊加原理。該原理表明，兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)在同一時(shí)刻通過同一媒介中的同一點(diǎn)的流量，等于各個(gè)信號(hào)在該時(shí)刻分別通過該點(diǎn)的流量之和?？紤]圖3-1所示的電路，它在理想條件下將一個(gè)熱電偶連至電壓表，熱電偶將產(chǎn)生模擬輸出電壓VT（t）,該電壓與熱電偶金屬結(jié)的溫度有關(guān)，并所時(shí)間t而變化。測得的信號(hào)VM（t）只代表VT（t）信號(hào)的真值，它所附帶的編碼信息就是熱電偶金屬結(jié)的溫度。但這種理想的環(huán)境只存在于我們的想象中，因此，對基本熱電偶電路更精確的表示中還應(yīng)該包含一個(gè)電噪聲發(fā)生器，它將產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓分量VN（t）,疊加在熱電偶信號(hào)真值VT（t）上

35、，參見圖3-2。13VT（t）+C熱電偶Fe電壓表VM（t）圖3-1基本的理想熱電偶電路000.511.522.5433.5不含噪聲的J型熱電偶的讀數(shù)熱電偶的輸出電壓（mV）(b)理想的熱電偶信號(hào)例子圖3-2 熱電偶電路和信號(hào)5101520t（s）VT（t）+C熱電偶Fe電壓表VM（t）圖3-3更真實(shí)的帶有噪聲的熱電偶電路模型VN（t）噪聲源-0.5000.511.523.52.53采樣電阻噪聲信號(hào)電子噪聲（mV）圖3-4 電子噪聲信號(hào)例子5101520t（s）000.511.522.5433.5帶有噪聲的J型熱電偶的讀數(shù)熱電偶的輸出電壓（mV）圖3-5 帶有噪聲的熱電偶信號(hào)的例子510152

36、0t（s）對于一個(gè)外置的觀測器來說，這種區(qū)別并不明顯，這種觀測器智能看到含有真值和噪聲的測量信號(hào)VM（t），它等于: (3-1)3.1.2 用濾波器凈化信號(hào)假設(shè)感興趣的信號(hào)位于低頻區(qū)，而噪聲信號(hào)位于高頻區(qū)。那么在理想情況下，我們就能去除高頻噪聲而只保留感興趣的信號(hào)分量。在頻域施加一個(gè)屏蔽，從而使低頻信號(hào)不受影響的通過，而高頻信號(hào)全部無法通過。盡管這樣的理論實(shí)驗(yàn)很有效，但是能否在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)上述操作呢？答案是“能”，雖然對實(shí)際系統(tǒng)與理想系統(tǒng)之間的偏差有一些重要限制。但在研究這些限制前，先要介紹一個(gè)重要的基礎(chǔ)概念：采樣。1.采樣模擬信號(hào)傳感器信號(hào)本身就是模擬信號(hào)，也就是說它們在時(shí)間上是連續(xù)的，并

37、且取值也是連續(xù)的。但是，直接處理模擬信號(hào)需要特殊的電路，這些電路是很難設(shè)計(jì)且造價(jià)昂貴，還會(huì)因?yàn)槠骷勖推渌厥庑宰兓挠绊懚S時(shí)間發(fā)生漂移。另一種更好的方法是，將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后用微處理器處理它們。這就需要進(jìn)行所謂的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為采樣。采樣后的信號(hào)只是一組數(shù)字，且每個(gè)數(shù)字都對應(yīng)某一時(shí)刻的連續(xù)信號(hào)。采樣對信號(hào)有兩個(gè)重要影響。第一個(gè)是所謂的頻譜復(fù)制，它的意思是采樣信號(hào)的頻譜在頻域中會(huì)周期性的重復(fù)出現(xiàn)，且該周期等于采樣頻率。顯然，當(dāng)原始信號(hào)的最高頻率分量大于采樣頻率的兩倍時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題，這時(shí)的采樣頻率被稱為奈奎斯特速率。這種情況下，由于頻譜中的部分高頻分量與鄰近被復(fù)制高頻譜中的

38、部分低頻分量難以區(qū)分，被復(fù)制的頻譜中會(huì)有頻率分量產(chǎn)生重疊，這種現(xiàn)象也被稱為混疊。混疊通常對系統(tǒng)是有害的。2.低通濾波器在真實(shí)世界中，我們不需要處理無限帶寬的信號(hào)。低通濾波器對信號(hào)的有些頻率成分衰減的厲害，因此消除噪聲最常用的方法就是對有用的頻率成分加以限制而剔除高出限制點(diǎn)的部分。當(dāng)使用熱電偶測量溫度時(shí)，由于測量物的溫度變化速率有限，因此其輸出電壓的變化速率也有限。這就意味著溫度傳感器輸出信號(hào)的頻率分量有上限，超出這個(gè)界限的信號(hào)都毫無意義。如果設(shè)計(jì)一個(gè)能消除所有高于該上界頻率分量的低通濾波器，那么該濾波器就一定能消除噪聲，因?yàn)楦哂谠摻刂诡l率的溫度信號(hào)都無效。123.2 通用的傳感器信號(hào)處理架構(gòu)下

39、面將建立一個(gè)通用的傳感器信號(hào)處理機(jī)構(gòu)，該架構(gòu)適用于很多智能傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例圖2-3是架構(gòu)的流程圖。該架構(gòu)必須設(shè)計(jì)成硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，即它對系統(tǒng)輸入和輸出的響應(yīng)時(shí)間必須是確定的，并且必須在下次輸入或者其他事件發(fā)生前完成對本次輸入信號(hào)的所有處理，至少應(yīng)完成該核心部分的處理。而非核心部分，比如通信協(xié)議處理部分也很重要，但是它們是軟實(shí)時(shí)處理的。軟實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)最終也必須能夠處理所有輸入和事件，但是允許它將這些輸入事件排列成對，以便系統(tǒng)再合適的時(shí)候繼續(xù)處理。3.2.1 信號(hào)調(diào)理與獲取信號(hào)調(diào)理與獲取部分負(fù)責(zé)對模擬輸入信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理，將信號(hào)的頻譜限制在便于處理的頻帶內(nèi)，并將信號(hào)放大到便于數(shù)字化的等級(jí)并將最后得

40、到的模擬信號(hào)數(shù)字化。這部分輸出的是一組采樣數(shù)據(jù)流，它們將被系統(tǒng)的后續(xù)部分實(shí)施數(shù)字式處理。初始化系統(tǒng)的硬件和軟件啟動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采樣采樣值就緒？是對采樣值濾波分析濾波后的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)故障需要報(bào)告數(shù)據(jù)或者故障碼？是格式化報(bào)告信息發(fā)送報(bào)告信息否否是否有待收數(shù)據(jù)？是從通信端口讀取待收數(shù)據(jù)分析接收到的數(shù)據(jù)否接收到完整的命令？否處理命令發(fā)送響應(yīng)圖2-3 通用的傳感器信號(hào)處理架構(gòu)是3.2.2 預(yù)分析濾波一旦采樣到原始物理的信號(hào)，那么通常必須結(jié)合應(yīng)用的特點(diǎn)對其進(jìn)行濾波，以去除不需要的噪聲或者將信號(hào)整型成更加有用的形式。這種濾波通常在獲取采樣值之后立即進(jìn)行，以便信號(hào)鏈中后面的處理算法能夠使用到相對干凈的數(shù)據(jù)，

41、從而可能得出更好的結(jié)果。3.2.3 信號(hào)線性化熱電偶的電壓輸出與對應(yīng)的溫度之間存在復(fù)雜的多項(xiàng)關(guān)系。在這種情況下，必須對信號(hào)進(jìn)行線性化處理，以便于后面的參數(shù)分析部分使用。根據(jù)被測物理量的特點(diǎn)不同，線性化技術(shù)也有所不同。3.2.4 參數(shù)分析參數(shù)分析算法與應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性也很強(qiáng)。盡管參數(shù)分析在理論上僅受設(shè)計(jì)者的想象力的限制，但是有一些是典型的處理，比如參數(shù)變換、頻率分析等。通常，這是整個(gè)傳感器系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分，也是最能提高產(chǎn)品價(jià)值的部分。3.2.5 后分析濾波一旦計(jì)算出了參數(shù)值，通常需要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平滑濾波，然后再將它們用于系統(tǒng)的其他部分。和與分析一樣，后分析濾波也是針對應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。3.2.6

42、故障檢測與處理故障檢測與處理部分則是關(guān)乎系統(tǒng)能否生存的重要部分。根據(jù)產(chǎn)品檢測故障和排除故障的能力，特別是在故障后果極嚴(yán)重的場合下的應(yīng)對能力。簡單的故障檢測可能包括檢測傳感器元件是否在位，以及驗(yàn)證所提取的參數(shù)值是否在合理的范圍內(nèi)等。更高級(jí)的故障檢測則在實(shí)際故障發(fā)生之前就能診斷出來并向用戶報(bào)警。3.2.7 通信該架構(gòu)的組后一部分是通信。這部分用于報(bào)告智能傳感器產(chǎn)生的所有信息并且可以用于配置智能傳感器的工作模式，因此其接口的穩(wěn)健性和可靠性極為關(guān)鍵。盡管并非所有的系統(tǒng)都支持所有的通信接口，但是可使用的通信接口還是有很多種，包括RS-232、CAN、以太網(wǎng)及無線等。第4章 dsPIC系列DSC介紹4.1

43、 dsPIC系列的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)近來出現(xiàn)了一種名叫數(shù)字信號(hào)控制器（Digital Signal Controller, DSC）的新型處理器，它集成了純數(shù)字信號(hào)處理器的強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力以及標(biāo)準(zhǔn)微控制器的判斷功能。Microchip公司就出品了dsPIC系列DSC，它在單枚芯片上集成了很多功能，從而使設(shè)計(jì)者能夠在非常小尺寸的情況下設(shè)計(jì)出強(qiáng)大的測控系統(tǒng)。本章只詳細(xì)介紹其中的一款芯片dsPIC30F6014A，它幾乎集成了該系列芯片具備的所有片上外圍設(shè)備。dsPIC系列產(chǎn)品是針對高速、強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)運(yùn)算的處理應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，它具有專用的硬件單元，能夠以最小的CPU占用率完成高速運(yùn)算。134.1.1 ds

44、PIC系列DSC的存儲(chǔ)器dsPIC系列DSC采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線，從而使處理器同時(shí)提取指令和指令運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。盡管dsPIC系列DSC沒有多級(jí)指令流水線，但是它可以用單機(jī)指令預(yù)提取機(jī)制：在執(zhí)行指令之前的一個(gè)指令周期完成對下一個(gè)指令的讀取和部分譯碼功能。這使得大多數(shù)指令都能夠在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢，從而顯著加快系統(tǒng)的決策速度，因?yàn)槿绻恍枰獔?zhí)行預(yù)期的指令，那么重新載入指令的速度要快得多。dsPIC器件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可分為三大類：特殊功能寄存器、靜態(tài)RAM（SRAM）和映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的程序存儲(chǔ)器。1.特殊功能寄存器dsPIC系列DSC利用一些存儲(chǔ)器映射寄存器

45、來配置、控制和檢查器件的各種運(yùn)行情況。這些寄存器被稱為特殊功能寄存器（SFR），它們占據(jù)數(shù)據(jù)空間存儲(chǔ)器映射的低2KB。2.SRAMdsPIC30F6014A的SRAM的地址位于0X08000X27FF，共有8KB隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器。3.映射到數(shù)據(jù)空間存儲(chǔ)器的程序存儲(chǔ)器在有些算法中特別是數(shù)字信號(hào)處理算法中，常常需要對變量乘以固定的系數(shù)。由于這些系數(shù)是固定不變的，因此，如果可以將固定系數(shù)存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器內(nèi)并且數(shù)據(jù)處理硬件還能調(diào)用固定系數(shù)，那么將節(jié)省寶貴的SRAM空間。134.1.2 DSP引擎dsPIC系列DSC集成了強(qiáng)大的DSP引擎，以實(shí)現(xiàn)乘法累加（MAC）運(yùn)算，這種運(yùn)算是很多信號(hào)處理算法的基礎(chǔ)。d

46、sPIC在芯片上集成有專用硬件，具體包括：1一個(gè)17位*17位分?jǐn)?shù)/整數(shù)乘法器；2. 2個(gè)40位累加器；3. 1個(gè)40級(jí)桶形位移器，它能在單周期內(nèi)完成16位左移或右移；4. 2套地址產(chǎn)生單元（AGU），它能完成摸尋址（2個(gè)AGU）和位反尋址(1個(gè)AGU)運(yùn)算。如果應(yīng)用得當(dāng)，這些專用的硬件子系統(tǒng)能夠顯著降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)處理處理算法的處理任務(wù)。4.2 中斷結(jié)構(gòu)從技術(shù)上看，dsPIC系列DSC將中斷分為硬中斷和陷阱。硬中斷是有正常應(yīng)用程序中的預(yù)定處理時(shí)間產(chǎn)生的，而陷阱是負(fù)責(zé)處理錯(cuò)誤的，它們在處理器正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)。實(shí)際中，中斷和陷阱的處理方法是一樣的，因此這里的討論將同一稱之為“中斷”。dsPIC

47、系列DSC共支持45個(gè)中斷源、4種陷阱以及可以使處理器復(fù)位的6個(gè)條件。中斷向量表的地址位于程序空間的000004H00007FH地址段。提取了中斷程序的地址后，dsPIC系列DSC就會(huì)跳轉(zhuǎn)到該地址并且執(zhí)行代碼，直到它遇到中斷返回指令（RTFIE），之后它會(huì)提取并恢復(fù)最近存儲(chǔ)在中斷棧中的地址，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。中斷處理的關(guān)鍵是從中斷發(fā)生到處理器實(shí)際開始相應(yīng)之間的時(shí)間，也就是所謂的中斷等待時(shí)間。引入中斷等待時(shí)間的目的有兩個(gè)，一是使啟動(dòng)中斷處理的時(shí)間盡可能短，另一個(gè)便是中斷等待時(shí)間要盡可能的穩(wěn)定，以便引用程序的每個(gè)處理部分可靠地處理它。4.3 片上外圍設(shè)備dsPIC系列DSC最強(qiáng)大的一點(diǎn)就是它顯著提

48、高了傳感器應(yīng)用系統(tǒng)的集成度。根據(jù)具體情況，1枚單片dsPIC DSC集成的片上外圍設(shè)別模塊能夠直接數(shù)字化模擬輸入信號(hào)或者從外部A/D裝換器讀取數(shù)字值，它含有多個(gè)可以自由運(yùn)行和事件驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器，并支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。4.3.1 數(shù)據(jù)采集外圍設(shè)備在任何智能傳感器系統(tǒng)中，DSP信號(hào)鏈的“數(shù)字”部分都開始于用一種所謂的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（也成為A/D或者ADC）對模擬輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。dsPIC系列DSC支持多種方式的信號(hào)數(shù)字化：1.通過片上的多通道ADC采集；2.用外部的音頻編碼/解碼器（codec）采集，并由dsPIC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口DCI讀入采集結(jié)果；3.由通過串行外圍設(shè)備接口SPI或者內(nèi)部集成電

49、路I²C端口控制的外置ADC實(shí)現(xiàn)采集；本設(shè)計(jì)中著重介紹第一種方式：利用片上ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。所有dsPIC30F系列器件都支持616通道ADC輸入，根據(jù)器件型號(hào)不同，分辨率為10位或12位。具有10位分辨率的器件通常用于電機(jī)控制或者視頻處理等分辨率較低的應(yīng)用，而具有12位分辨率的則適用于傳感器市場。dsPIC系列DSC集成有16通道12位分辨率ADC。一旦信號(hào)被捕獲，ADC就開始第二部處理：將采樣的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字值，該過程被稱為轉(zhuǎn)換。dsPIC應(yīng)用系統(tǒng)可以采用輪詢（或手動(dòng)）方式或者自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式采樣數(shù)據(jù)。采用單個(gè)逐次逼近型多路輸入通道復(fù)用的A/D來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。12位的ADC

50、只能使用一個(gè)S/H電路。內(nèi)部A/D在滿幅供電電壓下的最大采樣速率不足200ksps（每秒采樣200000次），但是其采樣帶寬可以延伸到所有通道，因此當(dāng)需要采樣所有通道時(shí)，每個(gè)通道的最大采樣速率只有125sps。如圖4-1所示，該ADC電路具有很大的靈活性，但是這種靈活性要求應(yīng)用程序完成必要的配置后才能正常使用。ADC模塊具有16個(gè)16位狀態(tài)與控制寄存器，以及一個(gè)用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的16字雙端口只讀緩沖寄存器（ADCBUF0ADCBUFF）。13AVDDAVSSAREF+AREF-AN0AN1AN2AN3AN4AN5AN6AN7AN8AN9AN10AN11AN12AN13AN14AN1500010

51、00000100011010001010110011110001001101010111100110111101111CH0DAC12位逐次逼近型轉(zhuǎn)換邏輯總線接口16字、12位雙端口RAM（DPRAM）采樣/時(shí)序控制采樣/時(shí)序控制數(shù)據(jù)格式采樣輸入開關(guān)圖4-1 dsPIC的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路12位高速A/D的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示，該ADC電路具有很大的靈活性，但是這種靈活性要求應(yīng)用程序完成必要的配置后才能正常使用。ADC模塊具有6個(gè)狀態(tài)與控制寄存器，以及1個(gè)用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的16字雙端口只讀緩沖寄存器（ADCBUF0ADCBUFF）?，F(xiàn)在真正開始配置ADC模塊。1. 配置信號(hào)通路顯然配置ADC模塊的

52、第一步就是確定將哪些管腳作為模擬輸入端口、數(shù)字輸入端口或者數(shù)字輸出端口。這里假設(shè)僅在執(zhí)行程序之初配置I/O端口的類型和方向。2.配置I/O端口管腳作為Microchip產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置，應(yīng)用程序可以通過TRISx寄存器指定I/O端口信號(hào)的方向，其中X表示某個(gè)端口（TRISA對應(yīng)PORTA，TRISB對應(yīng)PORTB等等）16位TRISX寄存器與16位PORTX寄存器是逐位對應(yīng)的。若要將某個(gè)芯片配置成輸入，應(yīng)用程序就要將TRISx的對應(yīng)位置“1”；若要將該信號(hào)配置位輸出，那么應(yīng)用程序就要將TRISx的對應(yīng)位置“0”。3.選擇參考電源為簡化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換范圍通常是整個(gè)供電電壓的范圍（即從AVssAVDD）

53、。但是為了提高測量的分辨率，還可以將轉(zhuǎn)換參考電壓限制在VREF-VREF+內(nèi)。此外還可以將ADC模塊配置成轉(zhuǎn)換某路輸入相對與另一路輸入的電壓差，從而實(shí)現(xiàn)差分測量。配置參考電源的方法很簡單，秩序是指A/D控制寄存器2（ADCON2）中的電壓配置位（VCFG<2:0>）即可。表4-2通過ADCON2中的VCFG位選擇ADC的參考電壓VCFG<2:0>VREFHVREFL0000010100111xxAVDDVREF+AVDDVREF+AVDDAVSSAVSSVREF-VREF-AVSSVREFH=A/D的轉(zhuǎn)換電壓上限；VREFL=A/D的轉(zhuǎn)換電壓下限VREF+=外部參考電壓的上限；VREF-=外部參考電壓的下限AVDD=模擬正電源軌；AVSS=模擬負(fù)電源軌（地）表4-2 ADC參考電壓的配置表4.選擇需要數(shù)字化的模擬輸入信號(hào)在所有采樣方式中，數(shù)字化結(jié)果都會(huì)按照采樣順序被依次存儲(chǔ)在16字ADCBUF緩沖器中，從ADCBU