高精度直流微电阻测试仪的研究与开发-----硬件系统设计（二） 电阻测试仪, 数据采集, 转换器, 单片机, 传感器

Bazinga

数据转换部分设计
A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号，并将其转换为数字信号送入单片机的过程。

前向通道中，被测物理量经传感器转换成电信号，而每一种传感器都有与其配套的接口电路，接口电路再将这一电信号转换成电压信号。多路转换开关用来完成多路模拟信号的切换，信号调节则是将模拟微弱信号转换成能满足A/D转换器需要的电平信号。为了减少无能动态数据采集的孔径误差，需要加入采样/保持电路。因此，数据采集电路的设计不仅仅限于是单纯A/D转换芯片的接口设计，还必须综合考虑传感器到CPU的全过程。

A/D转换器是前向通道中的一个环节，并不是所有的前向通道中都必须配备A/D转换器；只有模拟量输入通道，并且输入计算机接口不是频率量而是数字码时，才用到A/D转换器。因此，在确定A/D转换器时，应遵循下述原则：

（1）根据前向通道的总误差，选择A/D转换器的精度和分辨率。此时，应将综合精度在各个环节上进行再分配，以确定对A/D转换器的精度要求；
（2）根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证系统的实时性要求。为减少孔径误差，若对变化速度非常快的信号进行A/D转换，可考虑加入采样/保持电路；
（3）根据环境条件选择A/D转换器的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠性等级等性能；
（4）根据计算机接口特征，考虑选择A/D转换器的输出状态，例如，A/D转换器是并行输出还是串行输出，是二进制码还是BCD码；是用外部时钟、内部时钟还是不用时钟；有无转换结束状态标志；与TTL、cMOS及EcL电路的兼容性等；
（5）还要考虑到芯片的成本、货源是否是主流芯片等诸多因素.电路的测量准确度与放大器以及A/D转换器的精确度、温漂有密切关系。因此，各部分都尽量采用精密和低温漂元器件，同时放大器以及A/D转换器都必须采用精密电位器进行调整。本测试仪的A/D转换电路就是采用上述原则来设计的。

高精度的A/D器件是实现高精度测量的前提。本系统采用ADs7805芯片进行数据的A/D转换。ADs78os精度高、抗干扰性能好、价格低，应用十分广泛，如图3.6. ADs7805是16位单片A/D转换器，28脚DIP封装，其主要性能特点为：a.输入阻抗达10兆欧以上，对被测电路几乎没有影响，b.自动校零，c.有精确的差分输入电路，d.自动判别信号极性，e.有超、欠压输出信号，f.采用位扫描与BCD码输出。

分辨率计算：仪器的最小分辨率是由A/D转换器的位数决定的，因为电压范围为：0一+sv，在最小档位时，5v对应2m.，而16位的A/D转换器为：2‘6=65536，则仪器能达到的分辨率为：ZlnO、1/2’6=3.05、10一劝，因此，最低分辨率能达到10u欧.

对于A/D芯片ADS7805来说，能够有效的控制其本身的误差是本电路选用这种芯片的一个重要的原因。A/D转换器的一个问题是零点漂移，ADS78O5可以使零点漂移的影响最小化这种转换器有一个附加的将输入短接的循环，从而使得我们能够进行必要的校正。在本电路中，对于A/D转换器误差消除的另一个方法是采用自校零功能。转换过程分为四个循环，在第一个循环里，先将输入短接，将电阻代替电容接入电路，电容充电至补偿电压，在第二个循环里，电容上的电压被自动减去，从而实现零点校正。在附加的第四个循环里，电容被短接来对充电电压放电。

综上所述，对于A/D转换芯片的误差抑制的方法是输入短接的循环和自校零功能的实现。

主控部件设计
主控部件整体设计
主控部分的功能有：数据采集、数据处理、放大倍数选择、量程切换判断、显示、通讯等。单片机具有关闭显示模块显示的功能，以免数码管在数据传输过程中显示乱码。数据采集部分经ADS7805芯片进行数据的A/D转换后，从本系统的并行扩展口8155的PA口读入，8155的ADO一AD7和单片机89E58的PO口相连接，当89E58的片选使能并且读信号有效时8155中的数据就被读入到单片机89E58中。程序再根据当前的量程，放大倍数等参数计算出被测量的电阻值。这些实时的测量结果数据经过LED显示模块被显示出来，用户就可以根据LED上显示的数据来及时获得正在被测试的微电阻的电阻值。另外，当主控芯片89E58计算得到电阻值后，它会把这些值保存到EEPRoMAT28c64中，AT28c64采用一片非易失性静态存储器（NASRAM）作为数据存储器。它具有静态存储器的优点，同时具有非易失性的特点。存储芯片在掉电的情况下，能够正确无误地保存所有数据，并且能长时间地保存这些数据。这些特性很好地满足了本系统这样数据量小并且要求可靠性高的应用。本系统中的另一片并行扩展口82C55，它通过自身的DO一D7与CPU89Es8的PO口连接。CPu可以通过PO口来控制82C55的PA，PB，PC口的输出状态。本系统的量程放大电路放大倍数的控制及其它一些模块的控制信号都是由82C55提供。

主控部件中的74LS373被用来作为地址锁存器，它的输入端1D一8D接至单片机的P0口，输出端IQ一8Q提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE.此时锁存使能端G为高电平时，输出IQ一SQ状态与输入端D1一D8状态相同；当G发生负的跳变时，输入端ID一8D数据锁入IQ一SQ.89E58单片机的ALE信号可以直接与74LS3“的C连接。

主控部件中还有一个74LS138，它是一个3一8译码器。它的A、B、C与单片机89E58的P2.5一P2.7相连接。根据这三根的状态74Ls138产生不同的片选信号来选中对应的芯片。

本仪器的特点是用电位器和量程切换开关。根据人工的初步判断，进行量程切换。量程切换后需要完成以下2项工作：首先是切换精密放大器的放大倍率，随后是调整小数点的位置。

并口芯片的使用
在本系统中使用了用于并行输入/输出扩展的器件8155和82c55芯片。

8155的PA口和PC口被用来读取ADs7805A/D转换口的模拟数据转换结果，并用扩展出来的口对A/D芯片进行一些控制。82c55的输出口经过直接或经过74Ls06反向后控制放大电路和一些其它的外围电路。
EEPROM存储器的使用

本系统采用EEPROMAT28C64作为程序存储器，它的存储空间是8k，这个容量已经能满足本系统的设计要求了，系统将一些测量结果的数据保存在这个EEPRoM中。

EEPRoMATZse64采用一片非易失性静态存储器（N^sRAM）作为数据存储器。NAsRAM具有静态存储器的优点，同时具有非易失性的特点。采用芯片的非易失性的特点可以不用为此芯片提供掉电备用电源，即可实现掉电数据保护。

电源设计
电源模块将AC电源转换成仪器中各器件电路工作的Dc电源。如图3.10所示：


外部供电电源从主控板的电源擂座（TRANs）输入，其中电压种类包括lov/0.2^，4.sv/1.5^，14v/0.3^，Zov.Zov电源经过LM323K和7905（U6）变压后分别得到+5v和一5V，+5V经过一组滤波电容后供电给主控板上一些主要的器件，如CPU sgEss，sZC5s，5155，^TZsC64，AnS7sos，74Lsgo，74Ls93，74Ls13s等芯片。10y/0.ZA经过镇流桥和7808后得到+8v电源，MC14052由+8V电源供电。14V/0.3A经过镇流桥和7812以及7912后分别得到+12v和一12V电源，+12v供电给由0P177等运算放大器组成电路。

数据显示部分设计
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是8段LED.当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管发亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接（在系统中，接驱动电源）；其中7个发光二极管构成7笔字形“8”；一个发光二极管构成小数点的“。".7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字形数据正好一个字节；LED显示块与单片机接口非常容易，只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可；N位LED显示器有N根位选线和8、N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制要显示什么样字符，而位选线则控制要在哪一位上显示这个字符。

本系统采用动态显示方式，动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

在多位LED显示器时，为了简化电路，降低成本，通常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位1/0口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阴极点或共阳极点分别由相应的I/0口线控制，实现各位的分时选通l，。}. 8位LBD动态显示电路只需要两个8位1/0口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段选段皆由一个8位工/0口控制，因此，在每个瞬间、8位LED可能显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式，即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选码由控制1/0口输出相应字符电平，位选I/0口输出位选码（共阴极送低电平、共阳极送高电平）

以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并延时一段时间，以造成视觉暂留效果。

本系统的LED显示的驱动是采用MAx7219芯片，它采用串行寻址方式工作，由16位数据包发送到DIN端的串行数据在每个cLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中，在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。MAx7219的DIN、eLK、LoA.引脚分别接单片机的P3.o、P3.1、Pl.7引脚。

单片机采用查询的方式与A/D转换器通讯，利用A/D转换的间隙显示数据。

单片机与显示模块采用并行数据通讯，采用动态扫描的方式，每次只显示1位，为防止显示发生闪烁和抖动，其刷新率大于30H：。

通讯部分设计
RS-232接口设计
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论RS-232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，主要用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS-232是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。采用的是负逻辑电平，即逻辑O电平是+5v一+15v，其逻辑电平对地是对称的{24].RS-232适用于15米到30米的通讯。

采用MAX232实现RS-232的接口功能。MAX232是单+sv电源的RS-232收发器，片内包括两个驱动器、两个接收器和一个将+5v变换成RS-232所需的士IOv输出电平的双充电泵电压变换器。如图3.11所示：

MAX232与单片机的连接方式也非常简单，如图3.12所示