董志强(1981- )
男，河北廊坊人，硕士研究生，（华北计算机系统工程研究所，北京和利时系统工程有限公司  北京  100083）主要研究方向是数据采集与处理。

摘要：本文设计了一种基于Σ-ΔADC的热电阻信号采集从站模块，比较了工业过程控制中模数转换的三种常用方法，详细介绍Σ-ΔADC原理和硬件电路，给出了软件主要流程图。本模块利用ADS1242这款24位高精度Σ-ΔADC和80C52内核单片机进行多通道热电阻信号的采集和处理，具有实用性强、精度高、可靠性高等优点。

关键词：RTD；A/D；Σ-Δ；过采样

Abstract: A RTD signal-collection slave module based on Σ-ΔADC is designed in this article. It introduces three common methods with respect to analog to digital conversion in industrial process control by comparison, describes the principle and hardware circuit of Σ-ΔADC in detail and provides the main software flow charts. The module uses the Σ-ΔADC (Part No.: ADS1242) of 24 bit high precision and 80C52 core MCU to collect and process the RTD signal in multi-channel, and is featured with high practicability, high precision and high reliability.

Key words:   RTD; A/D; Σ-Δ; Oversampling

1 引言

    工业过程控制中需要对现场模拟信号进行采集和处理。用于工业过程控制中的基本模拟信号采集（AI）设备有三类：热电阻（RTD）输入设备、热电偶（TC）输入设备和变送器信号输入设备。其中热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

    对于上面这些模拟信号的采集AD转换技术很关键，在工业过程控制系统中，从成本和性能综合考虑，主要应用的AD转换类型是：逐次逼近型，积分型，过采样（Σ-Δ）型这三种。积分型转换过程中带来的误差比较大；逐次逼近型转换精度相对较高，但是对于高位数转换，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高；而Σ-Δ型可以以相对逐次逼近型简单的电路结构,而得到低成本、高位数及高精度的转换效果。基于上面的原因使得Σ-Δ型转换方式应用越来越广泛。此模块就是使用Σ-ΔADC将RTD信号转换成数字量上报到DP主站。

2 总体设计

    图1为模块总体设计，模块由信号变换与信号调理电路、A/D转换电路、DP通讯电路、电源DC/DC转换电路、CPU电路等组成。模块依靠64针连接器，引入6路现场热电阻信号。热电阻信号通过信号调理转换为相应电压信号，再分别通过滤波、模数转换送入CPU单元，CPU负责将RTD数据通过现场总线(PROFIBUS-DP) 上传至主站，从而完成RTD信号的采集工作。

3 A/D转换原理

    3.1  ADC方式比较

    3.3.1   逐次逼近型ADC

    逐次逼近型转换方式是按照二分搜索法的原理，将需要转换的模拟信号与已知的不同参考电压进行多次比较，使得转换后的数字量在数值上逐次逼近模拟量对应的值。

    逐次逼近型A/D转换器的优点是电路结构简单，转换速度较快，可以达到100万次/秒，但是对于高精度的模数转换电路需要高精度的电阻和电容匹配网络，故精度不会很高。在低精度（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

    3.3.2  积分型ADC

    积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用。积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式，单积分方式的工作原理是将输入电压信号转换成时间间隔(脉冲宽度信号)，然后对时间间隔计数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种方法。由于其受到斜坡发生器、比较器精度及时钟脉冲稳定性的影响转换精度不高。为了提高积分型转换器在同等条件下的转换精度，可以采用双积分型转换方式，其通过对输入模拟信号的两次积分，部分抵消了由斜坡发生器产生的误差，提高了转换精度[1]。

    双积分型转换方式优点是成本比较低；精度相对较高；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑制高频噪声。但是转换速度太慢，精度随转换速率的增加而降低。

    3.3.3  Σ-Δ型ADC 

    过采样的转换器数字电路比较复杂，因而放松了对模拟电路的相关要求[2]。Σ-Δ型ADC主要由Σ-Δ调制器、抽取滤波器两部分组成，其中核心部分是Σ-Δ调制器。Σ-Δ调制器原理上近似于积分型ADC，是将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，因采用过采样技术，能把大部分量化噪声分布在更宽的频带内，使得分布在输入信号范围频率附近的噪声功率密度大大减小。用抽取滤波器滤掉高频噪声后，从数据流中提取出有用的信息而得到数字值。因而过采样的Σ-ΔADC容易做到很高的精度。

    Σ-Δ调制器原理示意图如图2所示，其中U1为一个积分器，U2是一个比较器（也可看作一位的ADC），U3是一个D触发器，U3在每一个时钟到来时会锁存比较器U2的输出结果，向U4（比较器，负端接参考电压，也可看作一位的DAC）输出“高”或“低”的数字信号，U4将这个数字信号转化为+V/-V的电压信号，回馈给积分器U1。

    假定U1的输出为正，则U2的输出为“高”信号到U3的D输入端，在下一个时钟到来时，U3通过Q将这个“高”信号送到U4的输入端，U4接受到一个大于阈值电压（1/2V）的信号，会输出一个+V的电压信号到积分器U1的输入端，这个+V的反馈电压信号，会使积分器U1的输出向负电压变化，等到积分器的输出变为负，则反馈电路U4会输出一个-V的电压信号到积分器U1的输入端，使积分器的输出电压向正电压变化，在D触发器U3的输出端会得到一连串的比特流输出信号这就是Σ-Δ调制器的原理[3]。

图2    Σ-Δ调制器原理图

图4   主程序流程图

    4.2  A/D 采集数据程序流程说明

    当主程序进入数据采集子函数SAMP_data()时，依次选通1～6通道进行数据采集。采集数据时，先进行通道选择，然后等待该通道数据采集完毕，之后读取采集结果。根据采集结果诊断是否断线，如果短线则发送诊断信息数据处理，否则进行采集到的结果填入发送缓冲区。最后上报相应通道的采集数据。软件流程如图5所示。

图5   A/D转换采集数据程序流程

5  总结

    本文比较了工业控制过程中常用的三种模数转换类型，详细介绍了过采样技术的原理及AD转换电路，给出了模块软件设计方法。经试验证明此模块工作稳定，采集数据精确，实时性好，已应用于实际的工业过程控制现场。

参考文献：

    [1]王常力，罗安．分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M]．北京： 电子工业出版社，2004.

    [2]David Johns, Ken Martin．Analog Integrated Circuit Design．John Wiley & Sons (Asia) Pte. Ltd，1996.

    [3]Tony R. Kuphaldt．Lessons In Electric Circuits, Volume IV – Digital．http://www.allaboutcircuits.com/pdf/DIGI.pdf， 2007.

    [4]Texas Instrunmnts．24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER[EB/OL]． http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1242.pdf，2007.