一种基于微机的记录仪硬件设计

引 言
针对目前无纸记录仪的发展趋势，本课题要攻克以下几个主要难点：(1)万能输入技术，(2)USB 通信接口技术，(3)液晶显示技术，(4)系统可靠性设计技术。
1 系统硬件的方案设计
1.1 硬件系统设计的要求
硬件是无纸记录仪测控系统实现实时控制的物质基础，它在系统软件的协调下运行，实现对现场生产过程或被控对象参数的检测、存储，间接完成对生产过程或被控对象的控制任务。要完成这些任务依靠单独的一块单片机是不可能实现其复杂的任务，必须要有足够的测控接口，这些测控接口及配置的测、控功能电路是与测控要求及测控对象密切相关的，在一定程度上测控接口功能电路的配置决定了应用系统的技术性能。根据无纸记录仪系统的特点来增加配置电路是课题的一个重点。为了完成复杂的功能体系本系统必须增加外设包括：外部设备、传感器、和变送器、功率放大和执行机构、模拟量输入通道、开关量输入和输出通道、接口电路和以及保证系统运行的电源。在系统中需要设计以微处理器为中心的主控制板，上面应该具备实现程序固化，数据存储、显示输入和输出、外围通讯的接口。[2]外围通道切换控制板负责控制9 个通道信号的分时、限时输入，信号处理板——完成信号的放大、缩小和将所有的信号输入电压控制在A/D 要求输入的量程范围内；开关电源是负责向系统提供稳定的、低干扰的、数字和模拟隔离的供电系统；数据输出板的作用是将数据传输到液晶显示器上显示成所要求的图像。
1.2 主控制板的设计
主控制板是整个系统的灵魂，所有的控制信号的输入和输出都是通过它接收、处理和发送的。[3]主控制板的设计是围绕80C196KC 展开，根据设计任务需要主控制板要完成对Ａ／Ｄ的采集数据的读出，数据存储，数据运算，当前时间的跟踪记录；对信号放大处理板的控制，按需要发出切换现场模拟信号的信息保证模拟信号的限时进入处理放大板；同时还要控制扫描板，负责将9 个通道的信号依次放入信号处理放大板；还要具有对通讯模块的接口功能，同时还要有显示器接口和存储卡接口等；为此必须对80C196KC 进行外围扩展，使其具有更多的Ｉ／Ｏ口和更大的存储空间等。
2 系统主要硬件电路设计
2.1 外围模数转换接口设计
2.1.1 万能信号输入对系统的要求
本无纸记录仪系统需要采集处理的信号种类很多可以达到35 种，系统要求在每一个通道都能输入任意一种信号，同时系统也只有一个共用的放大处理板。所以要求信号通过固态继电器的切换轮流限时进入、退出通道，每个通道的信号在放大处理板上所占用的时间越短越好，这也要求在处理板上不能有大的电荷元件。在AR 系列无纸记录仪中，系统将大部分的滤波转换为程序滤波交A/D 采集芯片处理，这就要求在选择A/D 芯片必须有良好抗干扰性能。
2.1.2 设计中积分型Ａ／Ｄ的选择
积分型的A/D 芯片能满足克服工业现场干扰信号，于是课题选择了ICL7109 这款双积分A/D。A/D 芯片外围设计如下图1：

如图1 所示，ICL7109 内部有一个14 位(12 位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14 位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。本系统采用直接接口方式，ICL7109 的MODE 端接地，使7109 工作于直接输出方式。振荡器选择端(即OS 端，24 脚)接地，则7109 的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58 分频后的振荡器频率，ICL7109 时钟频率选择必须遵循两个原则：一种是要求一定的转换时间，在无纸记录仪希望AD 的转换时间越快越好，当然必须在7109 所允许的频率范围内，另外一个原则是抑制干扰要求，根据系统中主要干扰源的频率来选择ICL7109 的时钟频率，为了抑制这种干扰信号要求积分阶段的持续时间为干扰信号周期的整数倍。设干扰信号频率为Ff，周期为TF，积分持续时间为2048TCK=2048/FCK 为抑制Ff 的干扰，
应取
F_ck=2048F_f/K
其中K=1,2,3,4……。K 值取得越大，相应的抗干扰效果就越好，但是要求的转换周期就加长。在本设计中由于要完成抗50HZ 的干扰因素，并且在1 分钟内要完成10 次AD 转换结果，取K=1。则可以计算出要求的晶振值。
F_CK=2048×50/1 =102400HZ
由于在IC7109 中有：
F_CK=F_OSC/58
其中FOSC 就是晶振的频率。计算就可以得到需要的晶振的频率为5.9392MHZ。
积分时间=2048×时间周期=20ms，与50Hz 电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz 的串模干扰。[!--empirenews.page--]
工业现场的电压信号或者热电阻信号经转换放大处理后，具有正信号和负信号，故设计中将INLO=0，另外设计中将基准电压通过稳压调压电路设置到2V，这样7109 可以输入的模拟量程就为：-2V 到+2V 即最大量程为Fs=4V。

一般Rint 的值使得A/D 在退积分阶段流过的电流为20uA，则可以Rint=200KΩ，根据公式9 得出本设计中在模拟输入信号较小时，如0～0.5 伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT 大一倍，以减小噪声，CAZ 的值越大，噪声越小，如果CINT 选为0.15μF，则
CAZ=2CINT=0.33μF。
本设计电路中，RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D 转换连续进行。[4]A/D 转换正在进行时，STATUS 引脚输出高电平，STATUS 引脚降为低电平时，由74HC373 锁存的地址信号A1 输出低电平信号到ICL7109 的HBEN，读高4 位数据、极性和溢出位；由A0 输出低电平信号到LBEN，读低8 位数据。RUN/HOLD 接+5V，A/D 转换连续进行，将A/D 每次转换结实的信号经过反向接入80C196KC 的中断输入脚，当A/D 转换完成自动申请中断信号，然后80C196KC 给出片选信号、读信号和HBEN、LBEN 信号，A/D 转换的结果根据控制信号出现在数据总线D0～D7 上。不需要采集数据时，不会影响微处理器的工作，这种方法可简化设计。
2.2 通信接口的设计
设计了RS485 通讯接口，同时设置了可以配备专用USB 通讯模块接口。如下图2

图2 通讯接口分配控制图
通过光偶可以实现RS485 通讯和USB 接口通讯之间的切换，[5]在此处使用80C196KC 的P1.4 作为切换信号，当需要进行RS485 通讯的时候可以将P1.4 设置为1，反之将P1.4 设置为0 是可以实现USB 接口通讯功能。
2.3 显示器模块接口的设计
参照国内和国际市场无纸记录仪使用液晶显示器的特点，[6]通过对各种液晶资料的对比分析本设计选择了一款YD501A 彩色液晶VRAM 彩色液晶显示器。DC/DC 电压变换器产生液晶所用各种驱动电压，DC/AC 逆变器则用来点亮冷阴级背光灯，显示驱动逻辑电路采用优化的逻辑电路;采用分时技术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，而且互不干扰。YD501A 的基本原理如下图3 所示：

图3 液晶控制框图
3.结论
通过标准所要求的全部例行实验，结果完全满足无纸记录仪标准规定的各项指标，完全能适应工业现场使用环境的需要。 通过实验，证明了本课题提出的需要攻关的技术已经掌握，并成功的运用于实践。并且通过对信号采集、信号处理、软／硬件设计的加强，提高了无纸记录仪在现场工作的稳定性、可靠性和先进性。
本文作者创新点: 对于以50HZ 为主的工业现场干扰信号，采用积分方式，选定一个特定的积分周期，达到滤波抗干扰的效果。
参 考 文 献:
[1] 谢燊. 无纸记录仪的现状及发展趋势[J]. 自动化与仪器仪表, 2001,（3）：24-25.
[2] 汪建. MCS-96 系列单片机原理及运用技术[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1999，
（01）： 39-371.
[3] 周立功. 等编著PDIUSBD12 USB 固件编程与驱动开发[J], 电子世界， 2003,（2）
[4] PDIUSBD12 芯片在USB 接口电路中的应用[D]. 中国IC 网, 2005,(10).
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[5] 马忠梅. 单片机的C 语言运用设计[M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2001，
（11）：15-18.
[6] 吴振纲，陈虎．PLC 的人机接口与编程［J］．微计算机信息，2005，8-1：21-23。