CN109976222A - 一种基于单片机的a/d采集方法及装置 - Google Patents

一种基于单片机的a/d采集方法及装置 Download PDF

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同志学
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康智强
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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的A/D采集方法及装置，包括以下步骤：将预设待测电压值的区间范围分成N个子区间；将实际待测电压与区间的上限电压进行比较，将实际待测电压归入子区间K中；将实际待测电压与子区间K的上限电压做差得到差值，所得差值进行放大得到放大信号；将所得放大信号通过单片机进行AD采样，并转换为电压值；将子区间K的上限电压值与单片机AD采样转换得到的电压值做差，获得待测电压的实际数值。本发明的A/D采集方法和采集装置，可在单片机内集成的AD单元的采样分辨率的基础上，再将采集分辨率提高数倍。

Description

一种基于单片机的A/D采集方法及装置
技术领域
本发明属于单片机AD采集技术领域，特别涉及一种基于单片机的A/D采集方法及装置。
背景技术
在远程模拟量控制方式中，大多采用单片机实现A/D采集；电压信号的采集精度一般取决于A/D采集芯片的采集位数，采集位数越高，信号的采集精度就越高；如果A/D采集芯片的采集位数为n，电压采集区间为(0，V)，则该A/D采集芯片的最小采集精度为δ＝V/(2n-1)。
目前，受技术水平和成本的限制，提高A/D采集芯片的采集位数非常有限，尤其是单片机内集成的AD单元更是如此。
综上，亟需一种基于单片机的高分辨率电压信号A/D采集方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单片机的A/D采集方法及装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的A/D采集方法和采集装置，可在单片机内集成的AD单元的采样分辨率的基础上，再将采集分辨率提高数倍。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于单片机的A/D采集方法，包括以下步骤：
S1、将预设待测电压值的区间范围分成N个子区间；其中，N大于等于2；
S2、将实际待测电压与区间的上限电压进行比较，将实际待测电压归入子区间K中，子区间K为步骤S1获得的N个子区间中的一个；其中，实际待测电压大于等于子区间K的下限值，小于子区间K的上限值；
S3、将实际待测电压与所述子区间K的上限电压做差得到差值，所得差值进行放大得到放大信号；
S4、将步骤S3所得放大信号通过单片机进行AD采样，并转换为电压值；
S5、将子区间K的上限电压值与单片机AD采样转换得到的电压值做差，获得待测电压的实际数值。
本发明的进一步改进在于，步骤S1中，将预设待测电压的区间范围分成N个子区间时，采用等分的方式。
本发明的进一步改进在于，步骤S1中，具体通过多段分压电路将预设待测电压的区间范围分成N个子区间；所述多段分压电路包括N个串联的分压电阻。
本发明的进一步改进在于，步骤S2中，具体通过区间判别电路实现将实际待测电压归入子区间K中；所述区间判别电路包括N个比较放大器，它们的反相输入端均连接待测电压信号，同相输入端分别连接每个子区间的上限电压；通过比较放大器将每个子区间的上限电压分别与待测电压信号进行比较；当待测电压信号小于区间的上限电压时，比较放大器输出高电平；当待测电压信号大于或等于区间的上限电压时，比较放大器输出低电平；当某个子区间K对应的比较放大器输出高电平，而子区间K-1对应的比较放大器输出低电平时，实际待测电压归入子区间K中。
本发明的进一步改进在于，步骤S3中，具体通过参考电压选择电路获得计算所述差值所需的参考电压；所述参考电压选择电路包括N个光耦；当子区间K确定后，子区间K对应的光耦导通，子区间K的上限电压输入到差分放大电路作为参考电压。
本发明的进一步改进在于，步骤S3中，具体通过差分放大电路获得所述差值并进行放大；所述差分放大电路将所述参考电压和实际待测电压做差获得所述差值，并将所述差值放大输出，获得放大信号。
本发明的进一步改进在于，步骤S4中，具体通过MCU模块对所述放大信号进行A/D采样，并将采样值转化为电压值；所述MCU模块至少包括AD单元和数字量输入单元。
本发明的进一步改进在于，步骤S5中，具体通过区间识别输入电路将所述区间判别电路中N个比较放大器输出结果输入给所述MCU模块；由所述MCU判断得到子区间K的上限值；所述区间识别输入电路包括N个稳压管。
一种基于单片机的A/D采集装置，包括：多段分压电路、区间判别电路、参考电压选择电路、差分放大电路、区间识别输入电路和MCU模块；所述多段分压电路包括N个串联的分压电阻，用于将待测电压的区间范围分成N个子区间，其中N≥2；所述多段分压电路输入端连接预设待测电压的区间电压；所述区间判别电路包括N个比较放大器，所述多段分压电路的分段输出端分别与N个比较放大器的同相输入端对应连接；N个比较放大器的反相输入端均连接实际待测电压信号；比较放大器Ad用于将区间分段电压Vid和待测电压信号Ui进行比较，1≤d≤N；当Ui<Vid，比较放大器Ad的输出端输出高电平，反之，输出低电平；所述参考电压选择电路包括N个光耦，每个光耦的两个输入端分别连接所述区间判别电路中两个相邻的比较放大器的输出端，每个光耦输出端的一端分别与所述多段分压电路中的对应节点相连接，另一端均与所述差分放大电路的参考电压输入端相连接；所述差分放大电路的差分信号输入端用于与实际待测电压信号相连接，参考电压输入端连接所述参考电压选择电路的输出端；所述MCU模块至少包括AD单元和数字量输入单元；所述AD单元的输入端与所述差分放大电路的输出端相连接；所述区间判别电路的各个比较放大器的输出端与所述区间识别输入电路的对应节点相连；所述区间识别输入电路的节点均与所述MCU模块的数字量输入单元的输入端相连接。
本发明的进一步改进在于，所述多段分压电路中，串联的电阻规格相同，用于将待测电压的区间范围等分成N个子区间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的A/D采集方法，能够在单片机内集成AD单元的采样分辨率的基础上，再将采集分辨率提高N倍。具体的，假设一个待测电压信号的电压范围为(0，V)，现采用n位的A/D采集芯片进行采集，则最小采集精度为：δ0＝V/(2n-1)。本发明中，将待测电压信号的采样范围等分成N个区间(0，Vi1)、(Vi1，Vi2)，……，(Vik-1，Vik)，……，(ViN-1，ViN)，其中1≤k≤N，则不论待测电压信号处于那个区间，本发明所提供的方法仅对待测电压与区间上限的差值进行放大。即将区间电压(Vik-1，Vik)放大到(0，V)，此时最小采集精度为可见本发明所提供的A/D采集方法能够使电压信号的分辨率达到了单片机内集成A/D采样分辨率的N倍。
本发明的采集装置，通过多段分压电路、区间判别电路和参考电压选择电路，快速准确地判断出了待测电压信号Ui所处的区间，并为差分放大电路快速的提供了一个合理、准确的参考电压，使得差分放大电路仅对待测电压信号与区间上限的差值部分进行放大。从而使电压信号在整个测量范围内的分辨率达到了单片机内集成的AD单元分辨率的N倍，而且不增加信号的采样周期。
附图说明
图1是本发明实施例的一种电压信号采集电路示意图；
图中：1-区间判别电路，2-参考电压选择电路，3-多段分压电路，4-差分放大电路，5-MCU模块，6-区间识别输入电路；
A01～A10为反相比较器；Ui为被测电压信号；Ur为参考电压；U0为采样电压；R01～R10为分压电阻；D01～D10为光耦；DZ01～DZ10为稳压管；Rf1、Rf2、R11、R12为电阻；A11为差分放大器；DI01～DI 10为MCU模块数字量输入端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于单片机的A/D采集装置，包括：多段分压电路3、区间判别电路1、参考电压选择电路2、差分放大电路4、区间识别输入电路6和MCU模块5；MCU模块5至少包含AD单元和数字量输入单元。
多段分压电路3将待测电压的区间范围等分成N个子区间(0，Vi1)、(Vi1，Vi2)，……，(Vik-1，Vik)，……，(ViN-1，ViN)，其中1≤k≤N，其分段电压输出端分别连接到区间判别电路1中对应的比较放大器的同相输入端。区间判别电路1中比较放大器的反相输入端连接待测电压信号Ui，比较放大器将区间分段电压Vik和待测电压信号Ui进行比较。当Ui<Vik，比较放大器输出高电平，反之，输出低电平。比较放大器的输出端连接到参考电压选择电路2上，同时，也通过区间识别输入电路6连接到MCU模块5的数字量输入端口上；参考电压选择电路2比较区间判别电路1中相邻的两个比较放大器的输出端的电平，当两个电平不同时，将对应区间的上限电压接通到差分放大电路4的参考电压输入端；差分放大电路4将待测电压信号与参考电压选择电路2输入的区间上限电压进行差分放大，得到一个AD采样单元规定电压范围内的电压。差分放大电路4输出端连接MCU模块5的AD输入通道；MCU模块5的AD单元对差分放大电路4输出的放大信号进行采样，并将采样值转化为相应的电压值ΔU；MCU模块5根据区间识别输入电路6的数字量输入值判断出待测电压所处的区间；MCU模块5将待测电压所处区间上限值与ΔU相减，得到待测电压信号的实际值。
本发明的采集装置，通过多段分压电路3、区间判别电路1和参考电压选择电路2，快速准确地判断出了待测电压信号Ui所处的区间，并为差分放大电路4快速的提供了一个合理、准确的参考电压，使得差分放大电路4仅对待测电压信号与区间上限的差值部分进行放大。从而使电压信号在整个测量范围内的分辨率达到了单片机内集成的AD单元分辨率的N倍，而且不增加信号的采样周期。
实施例：
请参阅图1，本发明实施例的一种基于单片机的高分辨率电压信号A/D采集装置，包括：区间判别电路1、参考电压选择电路2、多段分压电路3、差分放大电路4、区间识别输入电路6和MCU模块5(至少包含AD单元和数字量输入单元)。
本实施例中，多段分压电路3将待测电压Ui的区间范围(本实施例为0～10V)等分成10个子区间(0，Vi1)、(Vi1，Vi2)，……，(Vik-1，Vik)，……，(Vi9，Vi10)，其中1≤k≤10，其输出端电压分别为Vik＝1V、2V、……、10V。多段分压电路3输入端连接预设待测电压的区间电压(本实施例为10V)，其分段输出端分别连接区间判别电路1中对应的比较放大器A01～A10的同相输入端。
区间判别电路1中比较放大器A01～A10的反相输入端均连接待测电压信号Ui。比较放大器Ak(1≤k≤10)将区间上限电压Vik和待测电压信号Ui进行比较。当Ui<Vik，放大器Ak的输出端输出高电平，反之，输出低电平。比较放大器A01～A10的输出端连接参考电压选择电路中光耦D01～D10输入端。同时，A01～A10的输出端通过区间识别输入电路6连接到MCU模块5的数字量输入端口DI 01～DI 10上。
参考电压选择电路2中光耦D01～D10输出端的其中一端连接多段分压电路3中对应的节点，另一端连接差分放大电路4的参考电压输入端。参考电压选择电路2中的光耦Dk(1≤k≤10)根据二输入端上的电平高低状态导通或断开。当Ak输出高电平，而Ak-1输出低电平时，光耦Dk的输出端导通，对应的区间的上限电压Vik被接通到差分放大电路4的参考电压输入端Ur上。参考电压选择电路2在任一时刻最多只允许一个电压Vik被连接到差分放大电路4上的参考电压输入端Ur上。
差分放大电路用于将实际待测电压和参考电压选择电路输出的参考电压进行差分放大，得到MCU模块AD单元规定电压范围内的电压，并送入MCU模块的AD单元。具体的，差分放大电路4包括差分放大器A11、输入电阻R11、R12和反馈电阻Rf1、Rf2；其中R11＝R12，Rf1＝Rf2，差分放大电路4的差分信号输入端连接待测电压，参考电压输入端连接参考电压选择电路2输出端；差分放大电路4的输出端连接MCU模块5的AD输入端。差分放大电路4将待测电压信号Ui和参考电压Ur的差值(本实施例范围为0～1V)进行差分放大，输出一个AD采样单元规定范围(本实施例为0～3.3V)内的电压U0。
区间判别电路1中比较放大器A01～A10的输出端连接到区间识别输入电路6的对应节点DI 01～DI 10上；区间识别输入电路6的节点DI 01～DI 10连接MCU模块5的数字量输入端；区间识别输入电路6还包括N个稳压管。
MCU模块5进行AD采样，并将采样值转化为电压值ΔU，ΔU＝Vik-Ui，其中，Vik为Ui所在区间的上限值；同时，MCU模块5根据DI 01～DI 10的高低电平判断出Ui所在的区间；最后MCU模块5再将Vik与ΔU相减，得到待测信号的电压值Ui＝Vik-ΔU。
可选的，对于AD采集的源信号为4-20mA模拟信号时，基于本实施例的AD采样电路，可在源信号输入端之前设置将4-20mA模拟信号转换为电压信号的转换电路单元。
本发明实施例的一种基于单片机的高分辨率电压信号A/D采集方法，包括：
将待测电压的区间范围分成N个子区间，由硬件电路判断待测电压所处区间，然后将此区间的上限值作为差分放大器的参考电压，将待测电压作为差分放大器的差分输入信号，进行信号的差分放大，最后单片机对放大信号进行AD采样、转化为电压值。同时MCU模块根据硬件电路的数字量输入结果判断待测电压所处区间，并将区间的上限值与AD采样的电压值进行相减得到待测电压的实际数值。
本发明所提供的A/D采集方法仅对待测电压与区间电压上限的差值进行放大和采样，此方法可使电压信号的分辨率达到单片机内集成的AD单元的采样分辨率的N倍。
本发明的工作原理：
假设一个待测电压信号的电压范围为(0，V)，现采用n位的A/D采集芯片进行采集，则最小采集精度为：δ0＝V/(2n-1)。如果将待测电压信号的采样范围等分成N个区间(0，Vi1)、(Vi1，Vi2)，……，(Vik-1，Vik)，……，(ViN-1，ViN)，其中1≤k≤N，则不论待测电压信号处于那个区间，本发明所提供的方法仅对区间上限与待测电压的差值进行放大。即，将区间电压(Vik-1，Vik)放大到(0，V)，此时最小采集精度为由此可见，本发明所提供的方法使电压信号的分辨率达到了单片机内集成A/D采样分辨率的N倍。
综上所述，本发明提供了一种基于单片机的A/D采集方法及装置，通过多段分压电路将待测电压的区间范围等分成N个子区间，得到N个区间分段电压；区间判别电路将区间分段电压与待测电压进行比较，当待测电压小于区间分段电压时，输出高电平，反之，输出低电平；参考电压选择电路比较区间判别电路中相邻的两个比较放大器的输出电平，当两个电平不同时，将多段分压电路对应区间的上限电压输入到差分放大电路的参考电压输入端；差分放大电路将待测电压和参考电压选择电路输出的参考电压进行差分放大，得到MCU模块AD单元规定电压范围内的电压，送入MCU模块的AD单元；同时，区间识别输入电路将区间判别电路输出的高低电平输入到MCU模块的数字量输入端口。MCU模块对差分放大电路输出的信号进行AD采样，并将采样值转化为区间电压值ΔU；MCU模块根据数字量输入端口的高低电平判断出待测电压所处的电压区间；MCU模块将获得的电压区间上限值与ΔU相减，得到待测电压的实际值。本发明的A/D采集方法和采集装置，可在单片机内集成的AD单元的采样分辨率的基础上，再将采集分辨率提高数倍。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将预设待测电压值的区间范围分成N个子区间；其中，N大于等于2；
S2、将实际待测电压与区间的上限电压进行比较，将实际待测电压归入子区间K中，子区间K为步骤S1获得的N个子区间中的一个；其中，实际待测电压大于等于子区间K的下限值，小于子区间K的上限值；
S3、将实际待测电压与所述子区间K的上限电压做差得到差值，所得差值进行放大得到放大信号；
S4、将步骤S3所得放大信号通过单片机进行AD采样，并转换为电压值；
S5、将子区间K的上限电压值与单片机AD采样转换得到的电压值做差，获得待测电压的实际数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S1中，将预设待测电压的区间范围分成N个子区间时，采用等分的方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S1中，具体通过多段分压电路将预设待测电压的区间范围分成N个子区间；
所述多段分压电路包括N个串联的分压电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S2中，具体通过区间判别电路实现将实际待测电压归入子区间K中；
所述区间判别电路包括N个比较放大器，它们的反相输入端均连接待测电压信号，同相输入端分别连接每个子区间的上限电压；通过比较放大器将每个子区间的上限电压分别与待测电压信号进行比较；当待测电压信号小于区间的上限电压时，比较放大器输出高电平；当待测电压信号大于或等于区间的上限电压时，比较放大器输出低电平；
当某个子区间K对应的比较放大器输出高电平，而子区间K-1对应的比较放大器输出低电平时，实际待测电压归入子区间K中。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S3中，具体通过参考电压选择电路获得计算所述差值所需的参考电压；
所述参考电压选择电路包括N个光耦；当子区间K确定后，子区间K对应的光耦导通，子区间K的上限电压输入到差分放大电路作为参考电压。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S3中，具体通过差分放大电路获得所述差值并进行放大；
所述差分放大电路将所述参考电压和实际待测电压做差获得所述差值，并将所述差值放大输出，获得放大信号。
7.根据权利要求4所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S4中，具体通过MCU模块对所述放大信号进行A/D采样，并将采样值转化为电压值；所述MCU模块至少包括AD单元和数字量输入单元。
8.根据权利要求7所述的一种基于单片机的A/D采集方法，其特征在于，步骤S5中，具体通过区间识别输入电路将所述区间判别电路中N个比较放大器输出结果输入给所述MCU模块；由所述MCU判断得到子区间K的上限值；
所述区间识别输入电路包括N个稳压管。
9.一种基于单片机的A/D采集装置，其特征在于，包括：多段分压电路、区间判别电路、参考电压选择电路、差分放大电路、区间识别输入电路和MCU模块；
所述多段分压电路包括N个串联的分压电阻，用于将待测电压的区间范围分成N个子区间，其中N≥2；所述多段分压电路输入端连接预设待测电压的区间电压；
所述区间判别电路包括N个比较放大器，所述多段分压电路的分段输出端分别与N个比较放大器的同相输入端对应连接；N个比较放大器的反相输入端均连接实际待测电压信号；比较放大器Ad用于将区间分段电压Vid和待测电压信号Ui进行比较，1≤d≤N；当Ui<Vid，比较放大器Ad的输出端输出高电平，反之，输出低电平；
所述参考电压选择电路包括N个光耦，每个光耦的两个输入端分别连接所述区间判别电路中两个相邻的比较放大器的输出端，每个光耦输出端的一端分别与所述多段分压电路中的对应节点相连接，另一端均与所述差分放大电路的参考电压输入端相连接；
所述差分放大电路的差分信号输入端用于与实际待测电压信号相连接，参考电压输入端连接所述参考电压选择电路的输出端；
所述MCU模块至少包括AD单元和数字量输入单元；所述AD单元的输入端与所述差分放大电路的输出端相连接；
所述区间判别电路的各个比较放大器的输出端与所述区间识别输入电路的对应节点相连；所述区间识别输入电路的节点均与所述MCU模块的数字量输入单元的输入端相连接。
10.根据权利要求9所述的一种基于单片机的A/D采集装置，其特征在于，所述多段分压电路中，串联的电阻规格相同，用于将待测电压的区间范围等分成N个子区间。
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