摘 要：本文介紹了利用80C196KB片上集成的A/D模塊完成了高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件上考慮了輸入模擬信號(hào)的接口電路，軟件上采用了四字節(jié)的浮點(diǎn)運(yùn)算，并對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓進(jìn)行了修正，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)果的進(jìn)行了進(jìn)一步的提高。系統(tǒng)終對(duì)直流電壓信號(hào)測(cè)量的相對(duì)誤差在0.5％以內(nèi)，誤差不超過0.02V。
關(guān)鍵詞：80C196KB；A/D轉(zhuǎn)換；浮點(diǎn)運(yùn)算；電壓測(cè)量

前言
80C196KB是MCS－96系列產(chǎn)品中的采用CHMOS工藝的器件，其片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，包括一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)，一個(gè)采樣和保持電路以及一個(gè)10位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。充分利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換資源即可以簡(jiǎn)化硬件，降低成本，又簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)供貨也相對(duì)容易。本文就是利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以80C196KB為，進(jìn)行了必要的擴(kuò)展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。鍵盤用于輸入及功能選擇，LCD用于顯示測(cè)量結(jié)果，RAM用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)和處理的數(shù)據(jù)。另外，因?yàn)?0C196KB本身不帶ROM，所以要擴(kuò)展外部ROM作為程序存儲(chǔ)器。
A/D轉(zhuǎn)換接口電路
80C196KB模擬輸入端的外部電路應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需要來設(shè)計(jì)，它的好壞直接影響變換器的性能。在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到輸入端的泄漏電流、采樣電容的大小以及多路開關(guān)的串聯(lián)電阻等重要因素。
80C196KB模擬輸入端的等效電路如圖2所示。V為外加信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，外部輸入信號(hào)必須通過Ri才能對(duì)采樣電容Cs充電。輸入端的泄漏電流為Ix。就80C196KB而言，
。
在模擬信號(hào)的輸入端外接一個(gè)足夠大的電容可以降低信號(hào)源內(nèi)阻的影響。80C196KB片內(nèi)采樣電容約為2pF，外接一個(gè)0.005mF(2048×2pF)的電容時(shí)，可以提供約±0.5LSB度的輸入電壓。如果該電容本身有漏電流，應(yīng)適當(dāng)增加電容值以補(bǔ)償漏電流。假設(shè)只有80C196KB的3mA直流漏電流，那么這0.005mF的外接電容在1mS內(nèi)僅下降0.6mV(小于0.15LSB)。因此這一外接電容一般至少為0.005mF，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換。
圖3給出了根據(jù)上述原則構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬輸入接口。圖中還增加了過壓和反壓保護(hù)二極管，起保護(hù)作用。當(dāng)輸入出現(xiàn)反壓時(shí)，D2正向?qū)?，把外部輸入信?hào)箝位于-0.6V。由于片內(nèi)也設(shè)置了輸入引腳可達(dá)-0.3V，這樣，在270W的電阻上大約有0.3V的壓降或大約1mA的電流，從而可對(duì)芯片起保護(hù)作用。

軟件算法
數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)備
讀AD_RESULT寄存器可以得到A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。新的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，AD_RESULT被清零，所以寄存器中的值要及時(shí)讀出，轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓與參考電壓之間的比率，計(jì)算公式如(1)：
10位結(jié)果：
D= (1)
于是，對(duì)采集結(jié)果的標(biāo)定就可按公式(2)進(jìn)行：
(ANGND與VSS相連，為零) (2)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，Vref直接與VCC相連，而VCC是由穩(wěn)壓電源提供的5V電壓。另外，為了減小隨機(jī)誤差，每次都采集100個(gè)數(shù)據(jù)然后取平均來作為采集的結(jié)果。這樣標(biāo)定公式變?yōu)?3)：
(3)
式中Di為采集的第i個(gè)數(shù)據(jù)(i=1,2..100)。
可見，標(biāo)定過程用到了加法、乘法和除法。為了提高標(biāo)定的必然要用到浮點(diǎn)計(jì)算。下面分析終A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)保留的位數(shù)：
(1)A/D轉(zhuǎn)換為10位，量程為5V，5V/1023=0.00489V，這里取0.005V。
(2)浮點(diǎn)運(yùn)算遠(yuǎn)高于此，所以終結(jié)果保留3位小數(shù)是有意義的，再高就沒意義了。
采用四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
浮點(diǎn)數(shù)有各種各樣的表示方法，為了統(tǒng)一浮點(diǎn)數(shù)的格式，IEEE提出一種浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它有幾種，其中包括單(4字節(jié))、雙(8字節(jié))和擴(kuò)展(10字節(jié))。其中常用的是單浮點(diǎn)數(shù)。但在編寫運(yùn)算程序時(shí)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單浮點(diǎn)數(shù)有兩個(gè)方面的問題：
(1) 階碼雖然為8位，但它的地址不為一個(gè)字節(jié)，運(yùn)算尋址不太方便。
(2) 尾數(shù)為大于等于1小于2的混合小數(shù)，在執(zhí)行乘法時(shí)不太方便，特別是不容易實(shí)現(xiàn)快速除法。
為了避免這兩個(gè)問題，本文采用的是一種與IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)格式基本相同，但結(jié)構(gòu)略有不同的四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)，格式如下：
31 30 8 7 0
數(shù)符 尾數(shù)(23位) 階 碼
該格式中，位為數(shù)符位，后面23位為尾數(shù)。由于該四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)必須為規(guī)格化數(shù)，所以除了零以外，尾數(shù)位總為1。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，在存放時(shí)，采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的方式，不存放位的1。這樣，23位尾數(shù)還需加上隱含的位1，構(gòu)成一個(gè)定點(diǎn)原碼24位小數(shù)，即尾數(shù)為小于1大于等于0.5的小數(shù)。8位為階碼，它采用移位，與IEEE標(biāo)準(zhǔn)相同，階碼等于實(shí)際階碼數(shù)值加上127。這種四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的取值范圍為：±(5.9×10-39~1.7×1038)，為24位二進(jìn)制數(shù)，即截?cái)嗾`差小于1/16777216。
單的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的遠(yuǎn)高于80C196片上A/D轉(zhuǎn)換的10位二進(jìn)制數(shù)，足可以滿足要求。
由于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位寄存器只用了高兩位，為了方便存儲(chǔ)，用兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。高字節(jié)存高8位，低字節(jié)只用高兩位來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的兩位，低字節(jié)的后6位置零。
另外，因?yàn)榻Y(jié)果要保留3位小數(shù)，而如果運(yùn)算過程中涉及小數(shù)會(huì)使運(yùn)算比較麻煩，因而將要處理的數(shù)據(jù)都擴(kuò)大1000倍。這樣，只要在結(jié)果顯示時(shí)將小數(shù)點(diǎn)前移3位即可。
綜上，用浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的流程如圖4所示。

通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)處理過程
按上面所描述的方法，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，由初次實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)系統(tǒng)仍測(cè)得為0.02V，也就是說存在零點(diǎn)誤差。而測(cè)得電壓一直比實(shí)際電壓高也是由此零點(diǎn)誤差引起的。通過在軟件中消去直流誤差，同時(shí)從參考電壓 方面考慮，為了提高測(cè)量結(jié)果的，采取了兩種措施：①硬件上用專門的電源芯片提供高的參考電壓。②軟件上對(duì)參考電壓的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。后者靈活性較大，簡(jiǎn)單易行。
系統(tǒng)完成后，由于電路上的壓降及各個(gè)芯片的影響，測(cè)得進(jìn)入單片機(jī)的參考電壓實(shí)際只有4.91V，用這個(gè)電壓值來修正開始值 ，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比較理想了。終，測(cè)量的相對(duì)誤差在0.5％以內(nèi)，誤差也不超過0.02V。

結(jié)語
在10位A/D轉(zhuǎn)換滿足要求的前提下，充分利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換，既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)又簡(jiǎn)單易行。而對(duì)高測(cè)試測(cè)量，浮點(diǎn)運(yùn)算是必不可少的。而且A/D轉(zhuǎn)換中，模擬信號(hào)接口電路、零點(diǎn)誤差的消除，以及參考電壓的修正都是必要的，因而本文介紹的A/D采集及數(shù)據(jù)處理有很強(qiáng)的通用性。尤其是對(duì)高測(cè)量系統(tǒng)，有一定參考價(jià)值。■

參考文獻(xiàn)
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5 80C196KB datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/80C196KB_103574.html.
6 ROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ROM_1188413.html.