SOC的高精度紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理歸總

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路

TLC2543 是 12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其設(shè)置方法如下：DATA INPUT端串行輸入的 8位數(shù)據(jù)，它規(guī)定了 TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位(D7～ D4)決定通道號。對于0通道至l0通道，該4位分別為 0000～I(xiàn)OIOH，當(dāng)為 1011～1101時，用于對 TLC2543的自檢，當(dāng)為 1110時 ，TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。低 4位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式。其中 D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長度，0l表示輸出數(shù)據(jù)長度為 8位，11表示輸出數(shù)據(jù)長度為 16位 ，其他為 12位 。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出 ，還是低位先送出，為 0表示高位先送出。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性(二 進(jìn) 制 )還是雙極性(2的補(bǔ)碼)，若為單極性，該位為0，反之為1。當(dāng)片選 cs從高到低的時候，開始一次工作周期，此時 EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為 0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時，片選 CS為高，I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOU呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使變低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOU脫離高阻狀態(tài) 。12個時鐘信號從 I/OCLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從 DATAINPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543(高位先送入)，同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從 DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第 4個時鐘信號后，通道號也已收到，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第 12個時鐘的下降沿。在第 12個時鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需lOt1s，轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個工作周期輸出。該芯片與微處理器接口的時候只需占用四個 IO口，其 12個時鐘的工作時序看參考相關(guān)手冊。

2.4 SOC級微處理器特性本系統(tǒng)所采用的是 SOC級 STC系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 51單片機(jī)，工作頻率可達(dá)48HZ，本設(shè)計(jì)中使用的微處理器為 6時鐘周期，故其工作頻率相當(dāng)于普通 51單片機(jī)的96MHZ，為本系統(tǒng)提供了速度保證。另外，本設(shè)計(jì)選用的 STC89C58RD含有 32K的程序存儲區(qū)，并在內(nèi)部擴(kuò)展了 32K的數(shù)據(jù) FLASH存儲器，從而使本設(shè)計(jì)能方便的擴(kuò)展相關(guān)功能，如參數(shù)的記憶功能等。該微處理器還支持 IAP與ISP，不需專用的編程器，通過普通串口即可調(diào)試程序。抗干擾也是選用該單片機(jī)的理由之一，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)控，故抗干擾十分重要。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

紅外線溫度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有如下幾個主要模塊：初始化模塊pI/O口查詢模塊pAD轉(zhuǎn)化模塊p數(shù)據(jù)處理模塊p數(shù)據(jù)糾正模塊p顯示驅(qū)動模塊等。另外還一個中斷程序處理模塊：0外部中斷，主要用于參數(shù)設(shè)定。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3所示。

整個程序采用 c51編寫，初始化模塊主要是初始化各路報警信號，將發(fā)射率等參數(shù)設(shè)定成默認(rèn)的值并顯示。主程序不斷通過 I/O口查詢模塊掃描 AD轉(zhuǎn)換模塊送過來的 12位數(shù)字信號，本程序中采用的是 SPI總線的通信方式，串行的接口方式節(jié)約了大量 IO口。接受過來的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)處理模塊處理之后按查表的方式得出溫度值，把該溫度值經(jīng)過數(shù)據(jù)糾正模塊糾正后送顯示模塊顯示，并將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)界面進(jìn)行顯示，從而完成了一路溫度測量。在程序的運(yùn)行過程中，隨時可以對發(fā)射率，報警值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)功能鍵按下的時候觸發(fā)單片機(jī)的 0外部中斷，在中斷程序中對參數(shù)設(shè)定按鍵進(jìn)行掃描，并將結(jié)果存儲起來。每路測溫結(jié)束后系統(tǒng)通過 RS485將溫度值傳送給上位機(jī)，在 VB界面上顯示。

對于一個測量系統(tǒng)，其精度和準(zhǔn)確度是非常重要的。雖然本設(shè)計(jì)選用 12位AD，給本設(shè)計(jì)的高精度奠定了基礎(chǔ)，但是由于傳感器，AD等電子器件自身不可避免的誤差和外界的干擾，測量結(jié)果難免會有些偏差。因此和研究其他儀器儀表一樣，在本設(shè)計(jì)中，也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確度。采用的主要方法是曲線擬合的最小二乘法。現(xiàn)將其原理介紹如下：

在函數(shù)的最佳平方逼近中,函數(shù) f(x)∈C[a,b]，如果 f(x)只在一組離散點(diǎn)集{xi，i=0,1,…,m}上給定，那么我們就需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù){(xi，yi)，i=0,1,…,m}進(jìn)行曲線擬合，其中，yi= f(xi)。若要求函數(shù) y=S ((*)x)與所給數(shù)據(jù){(xi，yi)，i=0,1,…,m}擬合，則誤差δi= S *(x)-yi。設(shè)Φ 1(x)，Φ2(x)，…, Φn(x)是C[a,b]上線性無關(guān)函數(shù)族，在Φ =span{Φ1(x)，Φ2(x)，…, Φ n(x)}中找一函數(shù)S ((*)x)，使其誤差平方和最小即可。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量很大，故在實(shí)際運(yùn)算中，可以借助MATLAB等數(shù)學(xué)工具，通過調(diào)用或者編寫相關(guān)函數(shù)來完成曲線擬合，最后選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果輸出。