基于MAX110的容錯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要： 論述了一種容錯采集系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過在串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的中斷服務(wù)程序中使用軟件定時器，實現(xiàn)了對MAX110意外停止轉(zhuǎn)換的故障恢復(fù)，確保了MAX110自動連續(xù)轉(zhuǎn)換功能的容錯性，可提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計中，與工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相聯(lián)系的接口電路的設(shè)計在保證性能的同時，要求有較高的可靠性和性能價格比。對于模擬輸入通道的設(shè)計，串行接口的模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器愈來愈受到設(shè)計者們的關(guān)注。串行接口A/D轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計簡單、芯片體積小、信號線大大減少、易于采取隔離措施，而且許多串行接口芯片的工作模式可編程、設(shè)計靈活。其中，MAXIM公司的二通道±14bit串行ADC MAX110在從串行接口讀取數(shù)據(jù)的同時還完成下一轉(zhuǎn)換過程控制方式數(shù)據(jù)的寫入（包括轉(zhuǎn)換啟動控制），這樣便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集；在程序設(shè)計時，數(shù)據(jù)采集進(jìn)程獨立設(shè)計，數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定的方式自動存儲到循環(huán)隊列中，完成和主進(jìn)程的數(shù)據(jù)交換，給系統(tǒng)程序的設(shè)計提供了很大的方便。但由于系統(tǒng)受環(huán)境的干擾，A/D轉(zhuǎn)換器控制數(shù)據(jù)可能會出錯，導(dǎo)致ADC意外停止轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)采集進(jìn)程停止，本文提出了針對這種故障的容錯[１]設(shè)計方法。

１ 基于串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

工業(yè)過程控制的許多慢過程，對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求較低，所以選用慢速A/D轉(zhuǎn)換器便可以滿足設(shè)計要求?！?4bit串行ADC MAX110BCPE轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到10ms，且可編程控制，精度和速度也可以滿足如溫度控制對象的數(shù)據(jù)采集要求。作者在設(shè)計適用于溫度控制的模糊智能調(diào)節(jié)器的過程中，數(shù)據(jù)采集部分使用了基于串行ADC MAX110的具有容錯功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)計方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。

模擬信號隔離可選兩種方法：選用模擬隔離放大器或在A/D的數(shù)字接口采用光電隔離。模擬隔離放大器價格較高，所以選擇數(shù)字隔離方法，而采用串行A/D可大大減少數(shù)字信號隔離路數(shù)。如圖１所示，串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的數(shù)字側(cè)與微處理器全部采用了光電隔離器件，將MAX110的數(shù)據(jù)輸入輸出信號、時鐘信號、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號由PC817實現(xiàn)電氣的隔離。在后續(xù)的模擬通道中采用了多路開關(guān)CD4051選通輸入的各路模擬信號，其中通道選擇信號也采取光電隔離的方法，這樣使A/D轉(zhuǎn)換器之后的所有電路都與微處理器部分隔離。

２ A/D異常停止轉(zhuǎn)換故障的自動恢復(fù)原理

2.1 串行ADC MAX110的控制與數(shù)據(jù)傳遞

串行ADC MAX110的轉(zhuǎn)換方式和標(biāo)定由芯片控制字確定，控制字確定了MAX110 A/D轉(zhuǎn)換的通道、速度等各種工作方式。MAX110 的控制字包含：轉(zhuǎn)換時間控制，SCLK與過采樣頻率的比率控制、輸入通道選擇、增益標(biāo)定控制、內(nèi)部振蕩器掉電控制、模擬部分掉電控制。每次轉(zhuǎn)換按新送入的控制字工作?？刂谱指袷郊翱刂谱肿饔靡姳恚?。

MAX110采用與Microwire SPI QSPI 串行接口通訊協(xié)議SPI: Serial Peripheral Interface, QSPI Quick SPI）兼容的串行接口標(biāo)準(zhǔn)[３]。其時序?qū)崿F(xiàn)如圖２所示。當(dāng)微處理器檢測到MAX110轉(zhuǎn)換完標(biāo)志 變高時，AD中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序首先將串行時鐘信號SCLK初始化為0，再將MAX110片選信號 低，開始串行數(shù)據(jù)的全雙工傳輸：送MAX110轉(zhuǎn)換命令字，同時接收MAX110轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程是：首先，微處理器將要送命令字的最高位送到MAX110接收命令字的引腳DIN，然后將SCLK置高，MAX110利用SCLK時鐘信號的上升沿將命令字最高位讀入；這時微處理器將MAX110的轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位讀入。微處理器再將SCLK置低，使SCLK出現(xiàn)下降沿；MAX110在下降沿將轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二位送到DOUT引腳，微處理器將命令字的第二位送到DUN引腳，再將SCLK置高，MAX110利用SCLK 的上升沿讀入命令字的第二位；微處理器讀入MAX110轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二位。如此循環(huán)直到將十六位數(shù)據(jù)接收完畢，命令字寫完畢，完成數(shù)據(jù)交換，最后將 引腳置高。當(dāng)MAX110的 引腳被置高時，MAX110開始新的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的工作方式由剛接收到的命令字確定。微處理器A/D中斷結(jié)束，直到MAX110下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時間的到來。

2.2 A/D異常停止轉(zhuǎn)換故障的檢測及自動恢復(fù)

A/D轉(zhuǎn)換器MAX110的啟動包括標(biāo)定和轉(zhuǎn)換控制字的設(shè)置，耗時較長，設(shè)計時將MAX110設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，本次轉(zhuǎn)換啟動下次轉(zhuǎn)換，下次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換控制字由本次提供，這樣MAX110就可以連續(xù)產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。但這種轉(zhuǎn)換方式有可能出現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換停止的故障。因為系統(tǒng)受到外界干擾時，可能會影響到某些數(shù)據(jù)線信號波形的偶然畸變，而串行A/D MAX110每次轉(zhuǎn)換都建立在收到正確轉(zhuǎn)換命令的基礎(chǔ)上，如受到干擾，轉(zhuǎn)換命令字錯誤，有可能導(dǎo)致MAX110停止轉(zhuǎn)換，或者進(jìn)入休眠方式或模擬電路電壓切離的低功耗方式，這樣系統(tǒng)將停止數(shù)據(jù)采集。

解決這種停止轉(zhuǎn)換故障的方法如圖3所示。在數(shù)據(jù)的自動采集過程中，下次轉(zhuǎn)換的正常工作建立在本次正確送入控制字的基礎(chǔ)上，所以在微處理器的軟件定時器中設(shè)置一個按一定時間間隔不停增長的計數(shù)器ADRUN，在A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序中將ADRUN計數(shù)器值清零。若A/D正常轉(zhuǎn)換，ADRUN計數(shù)器的值將保持在某一范圍內(nèi)；若A/D停止正常轉(zhuǎn)換，ADRUN計數(shù)器的值將超出預(yù)先設(shè)定的范圍。在系統(tǒng)程序的主循環(huán)中每次判斷ADRUN計數(shù)器的值，若ADRUN計數(shù)器超限，說明MAX110停止轉(zhuǎn)換，隨即將MAX110重新初始化，使數(shù)據(jù)采集模塊恢復(fù)正常工作，同時在系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)庫中做出記錄以備分析。這種設(shè)計方法保證了數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)具備了一定的容錯功能。

本文論述的容錯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在自行設(shè)計的以Intel 80C196為微處理器的智能調(diào)節(jié)器中使用和測試。測試時，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)注入故障，使AD采集進(jìn)程停止工作，實驗證明，在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)，故障得以排除并記錄了故障情況，數(shù)據(jù)采集正常進(jìn)行。但這種容錯設(shè)計方法的可靠性依賴于探測故障時所使用的定時器的可靠性，若定時器異常停止工作，系統(tǒng)將不能檢測到A/D轉(zhuǎn)換的故障。