自动配料系统数据采集模块的研究与设计

刘艳荣

（新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830021）

0 引 言

实现高精度的配料控制系统是医药、化工、建材、食品、冶金等行业的现实需要。本文对某饲料厂配料系统中数据采集模块进行设计，因为数据采集是配料系统的重要环节。

1 数据采集模块硬件设计

1.1 放大电路的设计

饲料配料系统采用的荷重传感器BHR-4M输出信号非常微弱，通常是毫伏级，无法直接进行模数转换，必须先要经过放大器进行放大。在选择放大器时，考虑到该传感器输出阻抗较低，并要防止干扰信号进入放大器，本系统采用了超低漂移高精度运算放大器OP07。OP07采用了超β工艺，具有高增益、低零点漂移、共模抑制比高、失调低、温漂低以及噪声低的特点，特别适合于微弱信号精确放大的领域。表1是OP07运算放大器的主要参数。

由表1看出，其最大输出电压为±12 V，而最大输出电流IOM仅有±2 mA，带负载能力很小，因此必须在此电路后增加功率放大电路，本文系统选择功率放大器LM1875。该放大器是美国国家半导体公司的产品，是一种应用广泛的末级功率放大器，它外围器件少，不失真，功率大，单双电源均能工作，并且电路内自备过载、过热、抑制反向电势的安全工作区保护电路[1]。本系统采用单电源供电，电路如图1所示。

图1中，A1和A2两个OP07构成高精度差动放大电路，功率放大器LM1875用于提高电路带负载能力，OP07的1脚与8脚之间接精密电阻器，实际中先接高精密电位器，待电路调整好后再用等值的精密电阻代替，这样零点漂移调为0.001 mV。同样电位器R3在实际工作要换成高精密电阻，以防电位器的电阻值因电路漂移或是震动发生改变，降低整个电路的共模抑制比。LM187放在最后用于提高该放大电路的带负载能力。

1.2 模/数转换器

A/D转换用于将模拟电量转换为数字量，以适于数字处理系统进行处理。A/D转换包括采样-保持、量化-编码，采样保持将模拟信号在时间上离散化，然后再在采样值得保持时间内对采样值进行量化编码，将模拟信号值在幅值上离散化，并转换成与之成正比的数字信号。引起A/D转换的误差有如下3个方面的原因[2]：采样误差、量化误差、孔径误差。影响数据采集精度因素还有系统通过率、信号带宽、模数转换器的位数以及信号源的阻抗。综合看来，数据采集的精度有很多方面的因素决定，要保证前向通道的总误差小于或等于A/D转换的量化误差，否则，选择再好的A/D转换器也得不到好的效果。为了保证系统的数据采集精度，采用美国MAXIM公司推出的模拟数字转换器MAX111芯片，具有±14位的分辨率，不需要外加元件来解决温漂和时漂的问题，采用内部校准技术；线性度为0.05%，性能较好，可适用于精度要求较高的场合。

图1 由OP07组成的高精度差动放大电路

1.2.1 MAX111芯片的引脚及性能特点

图2为MAX111管脚示意图。

图2 MAX111管脚示意图

（1）4脚为电源输入正端，采用+5 V供电，工作电流640 μA；12脚为数字地端，13脚为模拟地端。

（2）1、16和15、14分别为模拟信号输入通道1：INl+、INl-及模拟信号输入通道2：IN2+、IN2-。故MAX111芯片属于两通道输入转换器。测量范围-1.5～+1.5 V。

（3）2、3脚分别为基准电压正负输入端。

（4）5脚RCSEL为时钟选择输入端；6脚XCLK为时钟输入/输出端，由时钟选择输入端来确定XCLK为时钟输入还是输出，当RCSEL接GND时，为输入，当RCSEL接高电平时，为输出端，此时该引脚对地要接一个至少1 MΩ的电阻。

（5）7脚SCLK为串行时钟输入。

（6）8脚BUSY为0时，表示MAX111正在进行转换；为1时，表示MAX111转化结束。

（7）9脚CS为片选端，为高电平时A/D转换开始，为低电平时开始写入控制字以及读取转换后的结果。

（8）10、11脚分别为串行数据输入及串行数据输出端，输出端用于读取转换结果，具有14位分辨率，并带有溢出位和符号位，共16位数字。输入端用于向转换器写入控制字，每次转换按新送入的控制字工作[3]。

1.2.2 MAX111与PLC连接电路

图3为MAX111与PLC连接电路图。

模拟输入端口基本输入电流为500 nA（输入电压范围为0～1.5 V），等效模拟输入阻抗为3 MΩ，所以不需要为所输入的模拟信号加电压跟随器。

该系统5 V供电，采用通道1，111CS、111BUSY、111DOUT、111SCKL、111DIN为CPU引脚，111XCLK为外接晶振，通过基准源器件TL431得到1.5 V的参考电压。

2 数据采集软件设计

本系统数据采集程序软件设计流程如图4所示。

图3 MAX111与PLC连接电路图

图4 数据采集程序流程图

3 结 论

本数据采集模块采用了超低漂移高精度运算放大器OP07和美国MAXIM公司推出的模拟数字转换器MAX111芯片，不需要外加元件来解决温漂和时漂的问题，结构简单。该设计经过测试，放大器的误差为0.000 3%，A/D转换器的误差为0.289%，前向通道各环节的方和根误差0.312 9%，小与系统所规定的误差±1%，满足设计要求。