摘要：模拟信号和开关信号采集电路是系统中常用的信号采集功能模块，串口通信是系统常用的通信方式。根据常用模拟信号和开关信号的特点，论述了电路设计和芯片选择的方法原理，并分别设计了模拟信号采集电路和开关信号采集电路，在实现信号采集的基础上，采用最新的iCoupler磁耦合隔离技术，设计了串口通信电路。
关键词：信号采集；串口通信；电路设计
引言
数据采集（DataAcquisition），指从各种传感器和被测单元中自动采集数据，送到上位机进行处理的过程。被采集的数据为温度、压力、速度、重量等物理量，通常需要转换为电信号的形式，主要是模拟量（信号大小和方向随时间连续变化）和数字量（信号在时间上是离散的）。由于数字量可以直接由计算机接收读取，不再单独进行电路设计，但是，由于开关量信号具有跳跃变化、瞬时高压脉冲的特点，采集过程明显区别于一般的数字信号，因此，需要单独对开关信号的采集电路进行设计。信号采集后需要进行数据传输，由于串口通信协议简单，便于实现数据传输和控制，因此，进行了串口通信电路的设计。
1模拟信号采集电路
采集模拟信号的目的是将模拟信号转换为计算机可以接收和处理的数字信号。当前，大多数的传感器输出模拟信号，因此，模拟信号的采集应用非常广发。将来自于现场传感器模拟量采集到控制系统，由于模拟信号不能被计算机直接接收和处理，需要进行模拟量到数字量的转化。测控系统多数时候都需要采集不止一路模拟信号，假如每一路模拟信号的采集都需要采用单独的控制电路，在成本增加的同时，还会使系统体积变得庞大，导致电路设计困难。对于模拟量采集系统，A/D转换的精度和速度决定系统的精度和速度，MAX197作为一款常用的模拟信号采集芯片，具有12位的测量精度，转换速度快，价格低，并且该芯片具有标准的接口，总线时序兼容绝大多数的微处理器，仅需5V电压供电，外围电路简单，广泛应用于工业系统控制、自动测试等领域。图1模拟量信号集电路模拟信号的采集过程经常需要对信号进行前期处理，作为一种高精度运算放大器，OP07具有较低的输入失调漂移（温漂1.3uV/摄氏度，时漂1.5uV/月）、低失调电压（75uV）、宽输入电压范围（-14V-+14V）、高开环增益（300V/mV）。由于OP07具有非常低的输入失调电压和高开环增益的特性，非常适合于作前级放大器，实现高增益和微弱信号的测量。图1为MAX197与Op07配合共同组成两路模拟信号采集电路。
2开关信号采集电路
“开”和“关”是最基本的电气功能。开关量信号，是继电器接通或者断开对应的输出值，即“1”和“0”，是数字信号的一种。开关信号是控制系统与外部联系的纽带，控制系统通过接收和发送开关信号，达到控制外部设备的目的。由于开关量只有导通和断开两种状态，即只有高电平和低电平两种状态，由于外部设备的开关量一般采用电流或者电压触点，经常伴随着瞬时高电压和高电流的现象，因此，为了能够安全可靠地采集开关信号，需要进行滤波、隔离保护、转化等措施。在控制系统中，通常采用光耦合器实现开关量的转换，光耦合器通常包括发光器和光接收器，如图2左侧部分TLP521，发光二极管（接1，2端口）将电信号转化为光信号，作用于光敏三极管（接3，4端口）的基极上，使其导通，如此便实现了“电－光－电”的转换。采用74HC245双向八路缓冲器搭载TLP521光耦合器，可实现多路开关量的采集与传输，其基本电路结构如图2所示。
3串口通信电路
随着控制系统应用的发展，计算机与外界的信息交换越来越重要。串行通信，指计算机与外界设备之间采用一根信号线进行数据传输，数据在信号线上一位一位的传输，每一位数据占用一个固定的时间长度。串行接口作为计算机常用的接口，通信协议简单，数据传输和控制方便，因此，许多外设与计算机采用串行接口进行通信。在系统间进行串口通信，通常需要进行隔离设计，隔离设计既能有效减少数据传输的错误率，又能保护系统器件免受高压破坏。传统的串口通信RS232采用的是光电组合的形式，通过光束来隔离电路，为系统提供一个安全的传输接口。但是光电组合的隔离方式存在传输效率低、功耗大、易受干扰等缺点，比如目前使用较多的6N137光电隔离器件，仅提供10Mbps的最高传输速率和一个隔离通道，且工作温度一般不超过70度，这些都限制了光电隔离器件的使用。考虑到应用的广泛性，我们采用了ADI公司的AduM1201隔离传输芯片，该芯片抛弃了传统的光电转换过程，功耗得到明显降低，仅为光电隔离器件的不到1/10，该芯片还采用iCoupler磁耦合隔离技术，在125度高温环境中测试，传输可靠性和速率未发生明显下降，可以采用小体积封装，同时该芯片具有更高的传输速率和抗干扰能力，能够同时提供正、反双向传输通道，使得电路设计变得简单。芯片搭载MAX232芯片构成串口通信电路，如图3所示。
4结论
本文进行了常见信号采集与传输电路的设计，包括模拟信号采集电路、开关信号采集电路和串口通信传输电路。通过分析电路特点信号特点，对选择的芯片进行了较为详细地说明，并完成了外接电路的连接。选用Atmegal128芯片作为中央处理器，采用本文的电路进行了模拟量信号（温度）和开关量信号的采集与传输，测试结果表明本文所设计的电路工作性能稳定，采集与传输数据可靠。
作者：谢志宏 梁新彬 赵振强 单位：装甲兵工程学院 石家庄机械化步兵学院
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