這篇集成電路論文發(fā)表了傳輸電路設(shè)計(jì)和信號(hào)采集的探索，信號(hào)采集后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于串口通信協(xié)議簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制，因此，進(jìn)行了串口通信電路的設(shè)計(jì)。論文進(jìn)行了常見信號(hào)采集和傳輸電路的設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：集成電路論文,信號(hào)采集,串口通信,電路設(shè)計(jì)

　　引言

　　數(shù)據(jù)采集(DataAcquisition)，指從各種傳感器和被測(cè)單元中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，送到上位機(jī)進(jìn)行處理的過程。被采集的數(shù)據(jù)為溫度、壓力、速度、重量等物理量，通常需要轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的形式，主要是模擬量(信號(hào)大小和方向隨時(shí)間連續(xù)變化)和數(shù)字量(信號(hào)在時(shí)間上是離散的)。由于數(shù)字量可以直接由計(jì)算機(jī)接收讀取，不再單獨(dú)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，但是，由于開關(guān)量信號(hào)具有跳躍變化、瞬時(shí)高壓脈沖的特點(diǎn)，采集過程明顯區(qū)別于一般的數(shù)字信號(hào)，因此，需要單獨(dú)對(duì)開關(guān)信號(hào)的采集電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　1模擬信號(hào)采集電路

　　采集模擬信號(hào)的目的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接收和處理的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)前，大多數(shù)的傳感器輸出模擬信號(hào)，因此，模擬信號(hào)的采集應(yīng)用非常廣發(fā)。將來自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器模擬量采集到控制系統(tǒng)，由于模擬信號(hào)不能被計(jì)算機(jī)直接接收和處理，需要進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。測(cè)控系統(tǒng)多數(shù)時(shí)候都需要采集不止一路模擬信號(hào)，假如每一路模擬信號(hào)的采集都需要采用單獨(dú)的控制電路，在成本增加的同時(shí)，還會(huì)使系統(tǒng)體積變得龐大，導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)困難。對(duì)于模擬量采集系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換的精度和速度決定系統(tǒng)的精度和速度，MAX197作為一款常用的模擬信號(hào)采集芯片，具有12位的測(cè)量精度，轉(zhuǎn)換速度快，價(jià)格低，并且該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，總線時(shí)序兼容絕大多數(shù)的微處理器，僅需5V電壓供電，外圍電路簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)控制、自動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。圖1模擬量信號(hào)集電路模擬信號(hào)的采集過程經(jīng)常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行前期處理，作為一種高精度運(yùn)算放大器，OP07具有較低的輸入失調(diào)漂移(溫漂1.3uV/攝氏度，時(shí)漂1.5uV/月)、低失調(diào)電壓(75uV)、寬輸入電壓范圍(-14V-+14V)、高開環(huán)增益(300V/mV)。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓和高開環(huán)增益的特性，非常適合于作前級(jí)放大器，實(shí)現(xiàn)高增益和微弱信號(hào)的測(cè)量。圖1為MAX197與Op07配合共同組成兩路模擬信號(hào)采集電路。

　　2開關(guān)信號(hào)采集電路

　　“開”和“關(guān)”是最基本的電氣功能。開關(guān)量信號(hào)，是繼電器接通或者斷開對(duì)應(yīng)的輸出值，即“1”和“0”，是數(shù)字信號(hào)的一種。開關(guān)信號(hào)是控制系統(tǒng)與外部聯(lián)系的紐帶，控制系統(tǒng)通過接收和發(fā)送開關(guān)信號(hào)，達(dá)到控制外部設(shè)備的目的。由于開關(guān)量只有導(dǎo)通和斷開兩種狀態(tài)，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，由于外部設(shè)備的開關(guān)量一般采用電流或者電壓觸點(diǎn)，經(jīng)常伴隨著瞬時(shí)高電壓和高電流的現(xiàn)象，因此，為了能夠安全可靠地采集開關(guān)信號(hào)，需要進(jìn)行濾波、隔離保護(hù)、轉(zhuǎn)化等措施。在控制系統(tǒng)中，通常采用光耦合器實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的轉(zhuǎn)換，光耦合器通常包括發(fā)光器和光接收器，如圖2左側(cè)部分TLP521，發(fā)光二極管(接1，2端口)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，作用于光敏三極管(接3，4端口)的基極上，使其導(dǎo)通，如此便實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。采用74HC245雙向八路緩沖器搭載TLP521光耦合器，可實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)量的采集與傳輸，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3串口通信電路

　　隨著控制系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與外界的信息交換越來越重要。串行通信，指計(jì)算機(jī)與外界設(shè)備之間采用一根信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在信號(hào)線上一位一位的傳輸，每一位數(shù)據(jù)占用一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。串行接口作為計(jì)算機(jī)常用的接口，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸和控制方便，因此，許多外設(shè)與計(jì)算機(jī)采用串行接口進(jìn)行通信。在系統(tǒng)間進(jìn)行串口通信，通常需要進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，隔離設(shè)計(jì)既能有效減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，又能保護(hù)系統(tǒng)器件免受高壓破壞。傳統(tǒng)的串口通信RS232采用的是光電組合的形式，通過光束來隔離電路，為系統(tǒng)提供一個(gè)安全的傳輸接口。但是光電組合的隔離方式存在傳輸效率低、功耗大、易受干擾等缺點(diǎn)，比如目前使用較多的6N137光電隔離器件，僅提供10Mbps的最高傳輸速率和一個(gè)隔離通道，且工作溫度一般不超過70度，這些都限制了光電隔離器件的使用。考慮到應(yīng)用的廣泛性，我們采用了ADI公司的AduM1201隔離傳輸芯片，該芯片拋棄了傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換過程，功耗得到明顯降低，僅為光電隔離器件的不到1/10，該芯片還采用iCoupler磁耦合隔離技術(shù)，在125度高溫環(huán)境中測(cè)試，傳輸可靠性和速率未發(fā)生明顯下降，可以采用小體積封裝，同時(shí)該芯片具有更高的傳輸速率和抗干擾能力，能夠同時(shí)提供正、反雙向傳輸通道，使得電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。芯片搭載MAX232芯片構(gòu)成串口通信電路，如圖3所示。

　　4結(jié)論

　　本文進(jìn)行了常見信號(hào)采集與傳輸電路的設(shè)計(jì)，包括模擬信號(hào)采集電路、開關(guān)信號(hào)采集電路和串口通信傳輸電路。通過分析電路特點(diǎn)信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)選擇的芯片進(jìn)行了較為詳細(xì)地說明，并完成了外接電路的連接。選用Atmegal128芯片作為中央處理器，采用本文的電路進(jìn)行了模擬量信號(hào)(溫度)和開關(guān)量信號(hào)的采集與傳輸，測(cè)試結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的電路工作性能穩(wěn)定，采集與傳輸數(shù)據(jù)可靠。

　　作者：謝志宏 梁新彬 趙振強(qiáng) 單位：裝甲兵工程學(xué)院 石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院

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