基于PIC单片机的A/D采集模块实现

龚征华，庞明，周冠泽，张岩，王晓初，袁景淇



基于PIC单片机的A/D采集模块实现

龚征华，庞明，周冠泽，张岩，王晓初，袁景淇

摘 要：针对喷水推进控制系统A/D采集频率低的问题，采用PIC单片机独立完成系统采集功能，并利用RS-232串口完成数据通信，提高了系统的采集频率和稳定性。同时，针对工业现场A/D采集过程中的信号干扰问题，利用隔离变压器切断干扰的传播途径，达到了良好的干扰抑制效果。为进一步满足系统显示与控制精度，根据采集信号的特点，灵活采用了限幅滤波法，同时进一步测试表明采集系统具有良好的灵敏性。

关键词：喷水推进；A/D采集；干扰分析；限幅滤波

0 引言

喷水推进控制系统需要对手轮手柄等模拟量信号进行高速、高精度数据采集，数据采集常在控制系统上位机实现。由于上位机需完成繁重的数据显示、存储和通讯等功能，导致采集频率较低、采集精度不高，不利于系统控制性能的提高，因此有必要将系统采集功能独立出来。A/D采集模块可采用专用控制芯片完成，这样不仅可以提高系统采集频率和精度，也有利于提高系统的可靠性和稳定性。

A/D采集常引入信号干扰，干扰的存在影响了采集信号的质量，降低了系统控制性能，因此需对干扰信号加以消除或抑制。由于工业现场不可避免地存在电气设备干扰、电磁场耦合干扰、共模干扰等，很难从源头上消除，因而常采用切断干扰传播途径的方法对干扰进行抑制[1]。采用隔离变压器，并利用调制与解调技术将直流信号通过变压器耦合到输出级，可有效抑制输入端共模干扰[2]。为了进一步提高采集精度，需对采集信号进行软件滤波，滤波的方法应根据信号的特点进行合适选取，以达到理想效果。

1 A/D采集系统结构

如图1所示：

图1　A/D采集系统结构图

图1给出了喷水推进控制系统A/D采集结构，其中信号源为控制系统手轮、手柄的输入电压信号，共6路，电压范围为0~5V；隔离器是为了抑制工业现场的信号干扰，使采集数据更加稳定可靠；PIC18F2423为所选A/D采集控制芯片，芯片自带10路12位高精度A/D，采集频率最高可达50K次/秒，采集数据通过RS-232串口发送给上位机；上位机用于采集命令发送和采集数据接收，同时对系统数据信息进行实时显示和控制。

2 PIC18F2423工作原理

2.1 芯片简介

PIC18F2423是Microchip公司生产的一款8位高性能微控制器，广泛应用于医疗、船舶、航空等领域[3]。PIC18F2423具有16KB Flash程序存储器、256Byte EEPROM数据存储器，以及灵活的振荡器结构和智能功耗管理模式，并且支持SPI、I2C等同步串行通讯，支持RS-485、RS-232；同时具有10通道12位精度A/D，采集速度可达50K次/秒。

2.2 A/D采集功能的实现

PIC18F2423良好的A/D采集功能可用于控制系统采集实现，并且采集周期短、精度高，A/D采集模块示意图如图2所示：

图2　A/D采集原理示意图

考虑到PIC单片机定时不准确，可由上位机定时发送采集指令，PIC18F2423收到指令后进行采集，采集完成后再将数据上传。需要说明的是，PIC单片机的串口采用的是TTL电平，因此需要使用MAX232芯片将TTL电平转换为RS-232电平，方可实现PIC单片机和上位机通讯。

PIC18F2423使用的是8MHz外部晶振，最高通信波特率可达57600Bd/s。为满足高速采集的要求，采用如下串口协议：波特率57600Bd/s、1开始位、8数据位、无校验位和1停止位。PIC单片机的波特率的设置是通过对SPBRG寄存器的设置完成的，当BRG/EUSART为8位/异步模式时，其波特率计算公式为：

其中Fosc为晶振频率，SPBRG为相应寄存器的值。当波特率为57600时，SPBRG值取整后为8。

3 信号隔离与滤波

3.1 现场采集情况分析

在工业现场，A/D采集会受到各种信号干扰，干扰对采集的影响，轻则降低信号质量，影响系统稳定性；重则破坏电路的正常功能，造成逻辑关系混乱，控制失灵。以某次现场采集为例，若不对干扰进行处理，采集电压波动可达上百毫伏，致使喷水推进器舵角和倒航斗抖动剧烈，控制失效。因此，正确处理好干扰信号对系统采集和控制具有重要影响。

对于喷水推进操舵控制系统，舵角变化为-30°~+30°，对应电压为0~5000mV，对应PIC的采集数据为0~FFFH（十六进制表示，简称为Hex值），即为0~4095。舵角显示和控制的精度均为0.1°，对应Hex约为7，电压约为8.3mV。以稳定状态为例，为保证显示和控制的精度，则采集电压波动最大不能超过8.3mV。对于上述提到上百毫伏电压波动，显然远远超过了所需控制精度，因此喷水推进控制系统离不开对采集过程的进一步处理，包括添加硬件隔离器和采用软件滤波。

3.2 信号隔离

工业现场信号干扰主要包括电气设备干扰、电磁场耦合干扰、共模干扰等。以共模干扰为例，A/D采集系统采用两点接地，由于传输导线存在电阻，造成两个分开的接地点存在一定的电位差，如图3所示：

图3　共模干扰的产生

由于寄生电容的存在，该电位差会进一步导致输入端共模干扰的产生[4-5]。

对于信号干扰的消除和抑制，基本方法为抑制干扰源和切断传播途径。考虑到工业现场干扰源不易处理，因此切断干扰的传播途径成为常用而有效的抗干扰方法。为了将干扰源和敏感电路隔离开来，同时消除输入端共模干扰，可采用电气隔离。实现电气隔离的方法从耦合方式来看，可以分为磁耦合隔离方式、光电耦合隔离方式、电容隔离方式等，其中磁耦合隔离最常用的耦合隔离方式[2]。磁耦合隔离一般采用隔离变压器，采用调制与解调技术将直流信号通过变压器耦合到输出级，这样输入输出之间的信号干扰就很好地被抑制了。

采用隔离变压器的隔离效果，如图4所示：

图4　信号隔离效果图

由图4可知原始信号中的大部分干扰被有效去除，且隔离信号平均电压值的下降也表明地电位差被有效抑制。

3.3 软件滤波

在A/D采集系统中，滤波往往不可或缺。软件滤波不仅实现简单，无需硬件安装，而且能够较好地抑制采集过程中的干扰信号。常用的软件滤波方法有：均值滤波、中位值平均滤波、滑动平均滤波、一阶滞后滤波、限幅滤波等等[6]。

本采集系统共有两处需进行软件滤波：（1）PIC单片机；（2）上位机。

由于PIC计算能力有限，不利于进行大量数据处理，因此采用简单有效的均值滤波，采集次数由采集周期和所需采集精度决定。经实验测定，每次采集进行64次采样（便于PIC进行除法运算），能获得较高的采集周期和采集精度。采集系统共有6路，每次采集需进行384次采样，需要指出的是，6个通道应轮流采样以扩大单通道的采集时间，以便能更好地抑制低频干扰信号。与轮流采样相对的是集中采样，其采集方式为待某一通道64次采样完毕后再进行下一通道采集。

未加隔离器条件下采用轮流采集及均值滤波后的效果，同时给出了与集中采样的对比结果，如图5所示：

图5　均值滤波效果图

图5 的结果表明采用轮流采集滤波后效果显著，电压最大波动为10mV左右。

然而，由于只采用PIC均值滤波并不能保证电压最大波动小于8mV，因此利用信号隔离和PIC均值滤波共同处理，处理后的数据如图6（上半侧）所示：

图6　取A=3时限幅滤波效果

该采集数据由上位机保存，且为了便于分析，以Hex值表示。由图6可知，上位机采集数据Hex值最大变化为5，小于控制精度0.1°对应的Hex值7。但当手轮手柄处于停止状态时，显示值仍会发生0.1°跳变，这是因为角度最小刻度变化的分界线是一固定值，而非区间。

为了满足手轮手柄稳定状态下显示值不发生跳变，可采用限幅滤波法：根据经验判断，确定两次采集允许的最大偏差（设为A＞0）。每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差的绝对值＜=A，则本次值有效；如果本次值与上次值之差的绝对值＞A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值[6-7]。该方法能使在较小范围内波动的信号维持在某一恒定值，同时又不会产生信号延时，具有良好的灵敏性。

图6表明采用硬件隔离器、PIC均值滤波和限幅滤波在手轮手柄稳定时可以达到很好的效果，但并未给出信号变化时的采集情况。由于限幅滤波是对小范围变化的信号进行固定，不会对快速信号的采集产生影响，因此只需分析当信号源变化较慢时采集滤波结果即可。以现场手轮信号为例，其最慢变化周期约为50s左右，为了进一步说明，利用标准数字发生器将现场信号变化周期放大至100s左右进行实验验证。

系统对100s周期斜坡信号的采集情况（左），并给出了局部放大图（右），如图7所示：

图7　对缓慢信号的跟随情况

结果表明，限幅滤波会导致极缓慢信号的不连续，但其跳变幅度小于控制精度，所以不会对系统控制性能产生影响。

3 总结

本文针对喷水推进控制系统存在的A/D采集频率低、采样精度不高问题，利用PIC单片机实现了系统数据采集模块的独立，提高了系统采集频率和精度。同时，针对工业现场A/D采样存在的干扰问题，通过对干扰源和干扰传播途径的分析，利用隔离变压器实现了对信号干扰的有效抑制。根据采集信号特点，采用了限幅滤波法对数据作了进一步处理，达到了系统控制精度，同时不影响系统的灵敏性。此A/D采集模块具有采集频率高、精度高以及良好的通用性，可广泛应用于嵌入式系统的数据采集领域。

参考文献

[1] 何华锋,胡昌华,代延民.高精度A/D采样电路的干扰分析与电路设计[J].电光与控制,2005,05: 73-75.

[2] 杨惠.电力电子线路中模拟信号的传输隔离技术[J].甘肃科技,2010,13:81-83.

[3] 尹作菲.基于单片机PIC18F2431的无刷直流电动机控制系统[D].武汉:华中农业大学,2009.

[4] Winter B B, Webster J G. Reduction of interference due to common mode voltage in biopotential amplifiers[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1983, 30(1): 58-62.

[5] Jin-kui Z. Common Mode Interference & Differential Mode Interference and their Restraining Technologies [J]. Electronics Quality, 2006, 5: 026.

[6] 任克强,刘晖.微机控制系统的数字滤波算法[J]. 现代电子技术,2003,03:15-18.

[7] 王庆河,王庆山.数据处理中的几种常用数字滤波算法[J].计量技术,2003,04:53-54.

Implement of A/D Acquisition Module Based on PIC Microcontroller

Gong Zhenghua1, Pang Ming2, Zhou Guanze1, Zhang Yan1, Wang Xiaochu3, Yuan Jingqi3
(1. Laboratory of Science and Technology on Waterjet Propulsion,the 708th Research Institute of China State Shipbuilding Corporation, Shanghai 200011, China; 2. Standard Technical Services (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201612, China; 3. Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:In order to increase A/D sampling frequency of the marine water-jet propulsion system, an independent acquisition system based on the PIC microcontroller was proposed. The acquisition system, which used the RS-232 serial port for data communication, may both increase the sampling frequency and enhance the stability. Meanwhile, the isolation transformer is used to cut off the transmissions of interference signals during A/D acquisition in real applications, which achieved a satisfactory interference suppression effect. To meet the accuracy requirement of display and control, limit breadth filter is utilized to adapt the characteristics of the sampling signal. Testing results illustrated that the acquisition system had superior performance in compared with the system practiced on a marine water-jet propulsion system.

Key words:Water-jet Propulsion; A/D Acquisition; Interference Analysis; Limit Breadth Filter

收稿日期：（2014.08.21）

作者简介：龚征华（1974-）， 男，江苏省人，中国船舶工业集团公司第708研究所，喷水推进国防重点实验室，高级工程师，研究方向：喷水推进控制，上海，200011 庞 明（1985-），男，广西人，通标标准技术服务（上海）有限公司，工程师，研究方向：标准化，上海，201612周冠泽（1986-）， 男，江苏省人，中国船舶工业集团公司第708研究所，喷水推进国防重点实验室，工程师，研究方向：喷水推进控制，上海，200011 张 岩（1974-）， 男，辽宁省人，中船708研究所喷水推进国防重点实验室，高级工程师，研究方向：喷水推进泵，上海，200011王晓初（1990-），男，江西九江人，上海交通大学，硕士研究生，研究方向：喷水推进控制系统和嵌入式系统，上海，200240袁景淇（1959-），男，上海交通大学，教授、博士生导师，研究方向：工业过程模型化与控制，上海，200240

基金项目：国家自然科学基金（61233004）；教育部博士点基金 （20110073110018）

文章编号：1007-757X(2016)01-0001-03

中图分类号：TP

文献标志码：A