提高多路非直流量A／D数据采集时间的一种方法

卢秀和， 陈 楠， 王艳双

（长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

A／D转换是PIC18F4520单片机一个主要的组成模块，由于单片机只能对数字量进行识别，这时就需要设置一种模拟接口，用于把连续不断的模拟量转换成一系列不连续的、离散的数字信号，以方便对所需监控的状态进行读取［1］。

PIC18F4520单片机的A／D模块为10位A／D，占用两个数据存储器，即低地址的8位和高地址的低2位［2］。

这样看来，如果所采集的信号为直流信号时，就会转换出相同的数字量，反之，当采集的信号为非直流信号时，就会转换出不同的数字量。由于一些系统需要对一些非直流信号进行实时的监控，这样就无形中加大了对单片机的工作约束。文中提出一种相对于传统对顺序多路非直流信号采集时的方法——循环中断式采集。这种方法相对于传统的方法，降低了单片机对执行程序时间的要求，同时提高了采集精度。

A／D采集运用到剩余电流探测器（电器火灾监控探测器的一种，通常含有四路A／D采集信号）中，如果采用常规顺序A／D采集方法，不仅加大了PIC18F4520单片机对程序执行时间的要求，同时还降低了系统的精度。采用循环中断式采集方法时，相对于常规方法来说，不仅降低了程序执行的时间，同时加大了系统的精度。

1 逆变系统多路非直流采集信号

1.1 系统简介

通过分立式剩余电流探头分别检测出四路剩余电流，接入机器的四路输入，然后对每路电流进行整流，运用单项桥式整流电路，去掉四路信号中小于0的波形，然后送入运算放大器中进行放大，同时完成了把电流信号转换成电压信号进行采集，将输出的电压信号传入PIC18F4520单片机中进行采集。放大电路如图1所示［3－4］。

图1 模拟输入信号处理电路

由于PIC18F4520单片机内部的A／D模块供电电压为5V，因此，在设计此电路时必须保证运算放大器输出到A／D接口的波形最大值不得超于5V，否则导致单片机烧毁。

1.2 搭建硬件电路的系统

搭建硬件电路的系统框图如图2所示。

图2 系统框图

1.3 四路A／D采集波形

通过示波器测量，四路波形如图3和图4所示。

图3 第一路A／D波形

图4 后三路A／D波形

从图中可以看出，所采集的波形周期为20ms，四路 A／D 的平均值分别为230，73，73，73mV。为了提高精度，设置一周期采集的点数为64点，这样要求系统在完成一次完整的循环时间（包括四路A／D数据处理时间与系统其它程序执行时间）为20ms／64＝312μs，系统要求对四路模拟量进行采集，而且要求必须是实时监控。

PIC18F4520采用的A／D电压为内部电压，即5V，为10位 A／D，A／D数据换算公式［5］:

分别把230mV，73mV代入式（1），得到四路 A／D采集数据为:47，14，14，14，转化成十六进制数为0x002F，0x000E，0x000E，0x000E。

2 编程思路

主要介绍用到的两种滤波程序。为了进一步提高A／D采集精度，运用了3点去坏值和滑动平均值滤波两种滤波程序［6］。

3点去坏值:在定时器定时312μs的时间内，对所采集的模拟信号连续采集3个数据，然后进行3个数据的比较，去掉最大值与最小值，留下中间值作为本次采集所得值，然后将此数据送入滑动平均值滤波区，进行滑动平均值滤波［7］。

滑动平均值滤波:对四路A／D分别在数据存储器中开启占有64个12位的数据存储区，把经过3点去坏值的数据放入此存储区内，当放满64个数据后，算出此时的平均值，作为模拟输入量的平均值，然后当下一个经过3点去坏值的数据来之前，对滤波存储区内的数据进行循环左移，即把第1个数据去除，第2个数据赋值给第1个，以此类推，最终把第64个数据赋值给63，然后把此时经过3点去坏值的数据赋值给第64位，以后当每次采集得到数据时，都经过此方法进行循环左移。算出每次滤波区的平均值即可［8］。

为了更加准确地证明相对于常规顺序采集方法，文中提出的循环中断式采集方法能够更加准确地采集模拟信号，对两种方法都进行了编写相应的实验程序。

3 常规顺序A／D采集方法

简单的理解方法就是，当采集完第一路A／D模拟量时，马上开始对第二路A／D数据进行采集，依次类推第三路与第四路。系统采集流程图如图5所示。

图5 常规顺序A／D采集方法流程图

从图中可以看出，此方法要求四路A／D的采集时间与数据处理时间要求在一次定时器定时之内完成，这样就可能出现程序执行过程时间过长，大于定时器定时时间，导致不能正确采集四路模拟量，从而不能得到正确的数字量。

经过编写相应的实验程序发现，如果采集点数为64点系统无法得到正确的平均值，为了能得到正确的平均值，只好减少点数，这样才能在规定的时间内完成系统程序，直到减少到16点后，才得以成功，这样就要求定时器定时为20ms／16＝1.25ms。系统采集数据见表1。

从数据的变化可以看出，完全符合波形变化。但是此种方法由于采样点数的减少，从而加大了误差，而且对时间的要求非常严格。

通过采集的数据可以得到平均值为0x002A，0x000B，0x000B，0x000A，对应的十进制为42，11，11，10，相对于测得的数据47，14，14，14，可以算出误差比例为10%，21%，21%，38%。

表1 常规顺序A／D采集所得数据

4 循环中断式采集方法

本方法是在系统采集完一路A／D模拟量之后，进行A／D数据处理程序与系统其它程序的执行，在第二次进入定时器中断后，开始对第二路A／D模拟量的采集，以此类推第三路与第四路。系统采集流程如图6所示。

图6 循环中断式采集流程图

从图中可以看出，此方法只需要求对一路A／D采集时间与数据处理时间在一次定时器定时之内完成，不管采集的模拟量为四路或者更多，都不会影响系统对时间的严格要求。

经过编写相应的实验程序，可以得到正确的平均值，由于采集点数为64点，从而加大了精确度。系统采集数据见表2。

表2 循环中断采集所得数据

通过采集的数据可以得到平均值为0x002E，0x000E，0x000E，0x000D，对应的十进制为46，14，14，13，相对于测得的数据47，14，14，14，可以算出误差比例为2%，0，0，7%。

5 两种方法的快速性比较

通过两种实验对比，可以得到一些性能指标参数的对比数据，见表3［8］。

表3 两种方法参数对比

6 结 语

经过实验验证，相比于传统的实验方法，文中提出的循环中断式采集方法在占机时间上为常规方法的1／4，为系统执行其它程序释放了相当大的时间，在使用PIC18F4520单片的程序存储器少于常规方法，同时提高了系统的采集精度［9］。运用到剩余电流检测器中，保证了机器本身更加准确的运行、及时的报警以及相应的处理工作。

［1］ 宋大维，崔友，孙鹏远，等.基于 RS-485总线的高压设备智能试验台［J］.长春工业大学学报:自然科学版，2003，24（4）:56-58.

［2］ 刘启中，李荣正，王力生，等.PIC单片机原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［3］ 勒孝峰.模拟电子技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［4］ 林渭勋.现代电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］ W·H·高斯曼.数字电子学［M］.李昔.译.北京:国防工业出版社，1985.

［6］ 刘和平.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［7］ 明日科技，王娣，安剑，等.C语言程序开发范例宝典［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［8］ 龙宏波，叶晓慧，谭思炜.归一化加权平均值算法在测量中的应用［J］.电光与控制，2010，17（12）:2-3.

［9］ 李颉，吕强中.PIC单片机A／D转换数据存储及串口效率［J］.机械工程与自动化，2006（3）:5-6.