引 言
針對目前無紙記錄儀的發(fā)展趨勢，本課題要攻克以下幾個主要難點：(1)萬能輸入技術(shù)，(2)USB 通信接口技術(shù)，(3)液晶顯示技術(shù)，(4)系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)。
1 系統(tǒng)硬件的方案設(shè)計
1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計的要求
硬件是無紙記錄儀測控系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制的物質(zhì)基礎(chǔ)，它在系統(tǒng)軟件的協(xié)調(diào)下運行，實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)過程或被控對象參數(shù)的檢測、存儲，間接完成對生產(chǎn)過程或被控對象的控制任務(wù)。要完成這些任務(wù)依靠單獨的一塊單片機是不可能實現(xiàn)其復雜的任務(wù)，必須要有足夠的測控接口，這些測控接口及配置的測、控功能電路是與測控要求及測控對象密切相關(guān)的，在一定程度上測控接口功能電路的配置決定了應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性能。根據(jù)無紙記錄儀系統(tǒng)的特點來增加配置電路是課題的一個重點。為了完成復雜的功能體系本系統(tǒng)必須增加外設(shè)包括：外部設(shè)備、傳感器、和變送器、功率放大和執(zhí)行機構(gòu)、模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入和輸出通道、接口電路和以及保證系統(tǒng)運行的電源。在系統(tǒng)中需要設(shè)計以微處理器為中心的主控制板，上面應(yīng)該具備實現(xiàn)程序固化，數(shù)據(jù)存儲、顯示輸入和輸出、外圍通訊的接口。[2]外圍通道切換控制板負責控制9 個通道信號的分時、限時輸入，信號處理板——完成信號的放大、縮小和將所有的信號輸入電壓控制在A/D 要求輸入的量程范圍內(nèi)；開關(guān)電源是負責向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、低干擾的、數(shù)字和模擬隔離的供電系統(tǒng)；數(shù)據(jù)輸出板的作用是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示器上顯示成所要求的圖像。
1.2 主控制板的設(shè)計
主控制板是整個系統(tǒng)的靈魂，所有的控制信號的輸入和輸出都是通過它接收、處理和發(fā)送的。[3]主控制板的設(shè)計是圍繞80C196KC 展開，根據(jù)設(shè)計任務(wù)需要主控制板要完成對Ａ／Ｄ的采集數(shù)據(jù)的讀出，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)運算，當前時間的跟蹤記錄；對信號放大處理板的控制，按需要發(fā)出切換現(xiàn)場模擬信號的信息保證模擬信號的限時進入處理放大板；同時還要控制掃描板，負責將9 個通道的信號依次放入信號處理放大板；還要具有對通訊模塊的接口功能，同時還要有顯示器接口和存儲卡接口等；為此必須對80C196KC 進行外圍擴展，使其具有更多的Ｉ／Ｏ口和更大的存儲空間等。
2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計
2.1 外圍模數(shù)轉(zhuǎn)換接口設(shè)計
2.1.1 萬能信號輸入對系統(tǒng)的要求
本無紙記錄儀系統(tǒng)需要采集處理的信號種類很多可以達到35 種，系統(tǒng)要求在每一個通道都能輸入任意一種信號，同時系統(tǒng)也只有一個共用的放大處理板。所以要求信號通過固態(tài)繼電器的切換輪流限時進入、退出通道，每個通道的信號在放大處理板上所占用的時間越短越好，這也要求在處理板上不能有大的電荷元件。在AR 系列無紙記錄儀中，系統(tǒng)將大部分的濾波轉(zhuǎn)換為程序濾波交A/D 采集芯片處理，這就要求在選擇A/D 芯片必須有良好抗干擾性能。
2.1.2 設(shè)計中積分型Ａ／Ｄ的選擇
積分型的A/D 芯片能滿足克服工業(yè)現(xiàn)場干擾信號，于是課題選擇了ICL7109 這款雙積分A/D。A/D 芯片外圍設(shè)計如下圖1：
如圖1 所示，ICL7109 內(nèi)部有一個14 位(12 位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個14 位的三態(tài)輸出寄存器，同時可以很方便地與各種微處理器直接連接，而無需外部加額外的鎖存器。本系統(tǒng)采用直接接口方式，ICL7109 的MODE 端接地，使7109 工作于直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS 端，24 腳)接地，則7109 的時鐘振蕩器以晶體振蕩器工作，內(nèi)部時鐘等于58 分頻后的振蕩器頻率，ICL7109 時鐘頻率選擇必須遵循兩個原則：一種是要求一定的轉(zhuǎn)換時間，在無紙記錄儀希望AD 的轉(zhuǎn)換時間越快越好，當然必須在7109 所允許的頻率范圍內(nèi)，另外一個原則是抑制干擾要求，根據(jù)系統(tǒng)中主要干擾源的頻率來選擇ICL7109 的時鐘頻率，為了抑制這種干擾信號要求積分階段的持續(xù)時間為干擾信號周期的整數(shù)倍。設(shè)干擾信號頻率為Ff，周期為TF，積分持續(xù)時間為2048TCK=2048/FCK 為抑制Ff 的干擾，
應(yīng)取
Fck=2048Ff/K
其中K=1,2,3,4……。K 值取得越大，相應(yīng)的抗干擾效果就越好，但是要求的轉(zhuǎn)換周期就加長。在本設(shè)計中由于要完成抗50HZ 的干擾因素，并且在1 分鐘內(nèi)要完成10 次AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果，取K=1。則可以計算出要求的晶振值。
FCK=2048×50/1 =102400HZ
由于在IC7109 中有：
FCK=FOSC/58
其中FOSC 就是晶振的頻率。計算就可以得到需要的晶振的頻率為5.9392MHZ。
積分時間=2048×時間周期=20ms，與50Hz 電源周期相同。積分時間為電源周期的整數(shù)倍，可抑制50Hz 的串模干擾。[!--empirenews.page--]
工業(yè)現(xiàn)場的電壓信號或者熱電阻信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大處理后，具有正信號和負信號，故設(shè)計中將INLO=0，另外設(shè)計中將基準電壓通過穩(wěn)壓調(diào)壓電路設(shè)置到2V，這樣7109 可以輸入的模擬量程就為：-2V 到+2V 即最大量程為Fs=4V。
一般Rint 的值使得A/D 在退積分階段流過的電流為20uA，則可以Rint=200KΩ，根據(jù)公式9 得出本設(shè)計中在模擬輸入信號較小時，如0～0.5 伏時，自動調(diào)零電容可選比積分電容CINT 大一倍，以減小噪聲，CAZ 的值越大，噪聲越小，如果CINT 選為0.15μF，則
CAZ=2CINT=0.33μF。
本設(shè)計電路中，RUN/HOLD(運行/保持)引腳接+5V，使A/D 轉(zhuǎn)換連續(xù)進行。[4]A/D 轉(zhuǎn)換正在進行時，STATUS 引腳輸出高電平，STATUS 引腳降為低電平時，由74HC373 鎖存的地址信號A1 輸出低電平信號到ICL7109 的HBEN，讀高4 位數(shù)據(jù)、極性和溢出位；由A0 輸出低電平信號到LBEN，讀低8 位數(shù)據(jù)。RUN/HOLD 接+5V，A/D 轉(zhuǎn)換連續(xù)進行，將A/D 每次轉(zhuǎn)換結(jié)實的信號經(jīng)過反向接入80C196KC 的中斷輸入腳，當A/D 轉(zhuǎn)換完成自動申請中斷信號，然后80C196KC 給出片選信號、讀信號和HBEN、LBEN 信號，A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果根據(jù)控制信號出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D0～D7 上。不需要采集數(shù)據(jù)時，不會影響微處理器的工作，這種方法可簡化設(shè)計。
2.2 通信接口的設(shè)計
設(shè)計了RS485 通訊接口，同時設(shè)置了可以配備專用USB 通訊模塊接口。如下圖2
圖2 通訊接口分配控制圖
通過光偶可以實現(xiàn)RS485 通訊和USB 接口通訊之間的切換，[5]在此處使用80C196KC 的P1.4 作為切換信號，當需要進行RS485 通訊的時候可以將P1.4 設(shè)置為1，反之將P1.4 設(shè)置為0 是可以實現(xiàn)USB 接口通訊功能。
2.3 顯示器模塊接口的設(shè)計
參照國內(nèi)和國際市場無紙記錄儀使用液晶顯示器的特點，[6]通過對各種液晶資料的對比分析本設(shè)計選擇了一款YD501A 彩色液晶VRAM 彩色液晶顯示器。DC/DC 電壓變換器產(chǎn)生液晶所用各種驅(qū)動電壓，DC/AC 逆變器則用來點亮冷陰級背光燈，顯示驅(qū)動邏輯電路采用優(yōu)化的邏輯電路;采用分時技術(shù)讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時進行，實現(xiàn)了畫面的高速更新，而且互不干擾。YD501A 的基本原理如下圖3 所示：
圖3 液晶控制框圖
3.結(jié)論
通過標準所要求的全部例行實驗，結(jié)果完全滿足無紙記錄儀標準規(guī)定的各項指標，完全能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境的需要。 通過實驗，證明了本課題提出的需要攻關(guān)的技術(shù)已經(jīng)掌握，并成功的運用于實踐。并且通過對信號采集、信號處理、軟／硬件設(shè)計的加強，提高了無紙記錄儀在現(xiàn)場工作的穩(wěn)定性、可靠性和先進性。
本文作者創(chuàng)新點: 對于以50HZ 為主的工業(yè)現(xiàn)場干擾信號，采用積分方式，選定一個特定的積分周期，達到濾波抗干擾的效果。
參 考 文 獻:
[1] 謝燊. 無紙記錄儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 自動化與儀器儀表, 2001,（3）：24-25.
[2] 汪建. MCS-96 系列單片機原理及運用技術(shù)[M]. 武漢：華中理工大學出版社，1999，
（01）： 39-371.
[3] 周立功. 等編著PDIUSBD12 USB 固件編程與驅(qū)動開發(fā)[J], 電子世界， 2003,（2）
[4] PDIUSBD12 芯片在USB 接口電路中的應(yīng)用[D]. 中國IC 網(wǎng), 2005,(10).
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[5] 馬忠梅. 單片機的C 語言運用設(shè)計[M].北京： 北京航空航天大學出版社， 2001，
（11）：15-18.
[6] 吳振綱，陳虎．PLC 的人機接口與編程［J］．微計算機信息，2005，8-1：21-23。
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