传感器输出信号的微机处理

刘成刚，张利红

1.济南职业学院电子工程系，山东济南 250103

2.山东省特种设备协会，山东济南 250103

0 引言

传感器按照输出信号的性质可分为开关型（二值型）、数字型和模拟型。开关型传感器的输出就是“1”和“0”；数字型传感器有计数型（脉冲数字型）和代码型（编码型）两大类，开关型和数字型的信号可直接送到微机进行处理，使用方便。

模拟型传感器的输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电参量，其输入输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。非线性信号需要进行适当修正将其拟合为线性信号，从而将这些线性信号进行模数变换，成为数字信号，再送到微机进行处理，本文主要谈论模拟型输出。

1 输出模拟信号的处理

模拟型传感器输出的电参量主要有电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量。对这类信号的预处理和数字化接口电路的组成如图1所示。

图1

从图1可以看出，对于电容与电感的信号往往是采用振荡电路，将信号转换成频率的变化，然后可以用频率计数器将频率的变化信号变为数字信号，再送到微机进行处理；其它的都以电压变化的形式出现和处理。下面着重讨论电压信号的预处理和数字化。

1.1 电压信号的放大

图2

多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，而且一般变化较为缓慢，但信号所处的环境有时往往比较恶劣，干扰和噪声较大。

预处理电路既要将微弱的低电平信号放大到模数转换器所要求的信号电平，如0～+5V或0～+10V的范围，又要抑制干扰、降低噪声，保证信号检测的精度。

因此，在电压信号的预处理电路中，可采用仪表放大器，如图2所示。

仪表放大器具有很高的输入阻抗（一般高达109Ω以上），有利于发挥传感器的灵敏度，减小信号损失；

较低的失调电压（一般小于等于25Vµ）与温度漂移系数（一般小于等于

较高的共模抑制比CMRR（一般均超过120dB）；

输入方式为平衡输入，容易与测量系统中的传感器（特别是接成桥路结构的传感器）配接；

采用不平衡输出，易与后续其他电路配接；稳定的增益，增益仅由一个电阻RG调节，使用方便；

低的输出阻抗。其放大倍数为：

1.2 电压信号的模数转换

1.2.1 采样保持

在智能传感器中，一般被测的连续模拟信号只能以一定的采样频率将采样点的量值数字化后送入微机处理器，而A/D转换器每完成一次转换都需要一定的时间cT。

如果输入A/D转换器的模拟电压Ux在cT期间变化大于1LSB（LSB为转换成数字量后的数值的最小单位）的量化电压时，一般就不能保证转换的精度，因此在转化时间内对采样点的信号电压要加以保持。

以8位分辨率的ADC0809芯片为例，设其输入电压幅度UFS为0～5V，转换时间为100sµ，它允许的输入电压最大变化率为当Ux为正弦变化的信号

因此，Ux的最高频率fmax受到限制。

显然，直接用ADC对模拟电压采用与量化的方法只适合于直流与低频信号。当输入ADC的电压变化率较大时，必须采用措施，即在ADC之前加一个采样保持环节。

采样保持在某个规定的时刻接受输入电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样为止，在保持期间由ADC完成A/D转换。这样，上述的问题就可以得到解决。

1.2.2 A/D转换器

A/D有多种工作原理不同的电路，并各有不同的优缺点。如果所选用的A/D不能满足系统的要求，那么系统就得不到所要求的性能，严重时甚至所采集的是完全错误的信息。

A/D转换器的输出方式有两种：

1）数据输出寄存器具备可控的三态门。此时芯片输出线允许与CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信制三态门，将数据传输至总线上。

2）不具备可控的三态门，或者根本没有门电路，数据输出寄存器直接与芯片引脚相连，此时，芯片输出线必须通过输入缓冲器连至CPU的数据总线。

A/D转换器的启动转换信号有电平和脉冲两种形式。使用时应特别注意：对要求用电位启动的芯片如果在转换过程中将启动信号撤去，一般芯片将停止转换而得到错误的结果。

A/D转换器转换结束后，将发出结束信号，以示CPU可以从转换器读取数据。

1.3 电压信号与微机的接口

图3

各种型号的A/D芯片均设有数据输出引脚、启动转换引脚、转换结束引脚等。在使用时，要正确处理好上述引脚与CPU之间的硬件链接。

某些A/D转换器产品注明直接与CPU配接，是指A/D的数据输出线可直接挂到CPU的数据总线上，说明该转换器的数据输出寄存器具有可控的三态输出功能，转换结束，CPU可用输入指令读取数据。

一般8位A/D转换器均属此类，而10位以上的A/D，为了可用8位的CPU直接配接，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。

对于内部不包括读数控制逻辑电路的，则在与8位CPU相连时，应增加三态门，以控制10为以上数据分两次读取。A/D需外部控制启动转换信号，方能进行转换，这一启动信号有CPU提供。

CPU从A/D读取数据的联络方式有中断和查询两种，这两种方式的选择往往取决于A/D的转换速度和用户程序的安排。

图3给出了单片机8031与逐次逼近式AD0809转换器的硬件连接图。由于ADC0809转换器内部设有三态输出锁存器，因此可以直接与单片机相连接。

在图3中，将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，采用中断控制联络方式。线性选址，设ADC0809的口地址为01F8H。

由外部中断1的服务程序读取转换结果，并启动下一次转换。

其参考程序如下：

2 结论

经过上述的分析，我们可以看到，传感器的输出有多种形式，其中以模拟电压形式输出是分析的重点。为了精确的测量输出结果，需经过特定的电路放大，模数转换，再输入单片机处理。

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