CN112152621A - 一种多通道高精度ad采集修正电路及其快速修正方法 - Google Patents

一种多通道高精度ad采集修正电路及其快速修正方法 Download PDF

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CN112152621A CN202010940827.6A CN202010940827A CN112152621A CN 112152621 A CN112152621 A CN 112152621A CN 202010940827 A CN202010940827 A CN 202010940827A CN 112152621 A CN112152621 A CN 112152621A
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陈卫兵
姜源
陆海飞
周康
李世杰
冯军
马守权
吴继梅
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Abstract

本发明公开一种多通道高精度AD采集修正电路，包括AD转换部分和校验台部分；所述校验台部分包括一数控电源，所述数控电源为AD转换部分提供多个电源输入信号通道并为校验台提供一电压输入信号通道；所述AD转换部分包括多个第一AD采集芯片、第一单片机、第一RS232芯片、多个平拨开关、多个第一仪表放大器、多个第一电阻；每一所述第一AD采集芯片分别通过一平拨开关、一第一仪表放大器及一第一电阻连接一电源输入信号通道；本发明对AD转换部分进行校验，获得每段电压的修正系数K值，从而保证了AD转换部分的高精度，同时，采用这种电路结构进行修正，减少了人工修正的耗时，并且准确性更高，适合批量进行修正，更加方便。

Description

一种多通道高精度AD采集修正电路及其快速修正方法
技术领域
本发明属于AD采集修正技术领域，具体涉及一种多通道高精度AD采集修正电路及其快速修正方法。
背景技术
在环保监测等领域，为了对诸如污水的PH值、COD浓度等污染物因子进行实时采集，常采用PH计、COD分析仪等，而这些一次仪表往往输出的是4-20mA模拟量，按照中华人民共和国国家环境保护标准HJ 477－2009《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》：数据采集误差 ≤1‰ 的要求 ，设计高精度的AD转换部分尤其重要。而由于AD芯片的非线性误差，严重影响了AD采集精度，虽然有些厂家进行了相关修正，但耗时，精度不高，不便于批量生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种多通道高精度AD采集修正电路及其快速修正方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。
为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，包括AD转换部分和校验台部分；所述校验台部分包括一数控电源，所述数控电源为AD转换部分提供多个电源输入信号通道并为校验台提供一电压输入信号通道；所述AD转换部分包括多个第一AD采集芯片、第一单片机、第一RS232芯片、多个平拨开关、多个第一仪表放大器、多个第一电阻；每一所述第一AD采集芯片分别通过一平拨开关、一第一仪表放大器及一第一电阻连接一电源输入信号通道；多个所述第一AD采集芯片电连接第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端电连接第一RS232芯片；所述校验台部分包括一第二AD采集芯片、第二单片机、第二RS232芯片、第二仪表放大器；所述第二AD采集芯片通过第二仪表放大器电连接电压输入信号通道，所述第二AD采集芯片电连接第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端电连接第二RS232芯片；所述数控电源所输出的电压值由第二单片机控制，所述第一RS232芯片与第二RS232芯片电连接。
在本发明进一步的实施例中，所述第二单片机电连接液晶屏、AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关、校验按键。
在本发明进一步的实施例中，所述第一电阻为万分之一精度的200Ω电阻。
在本发明进一步的实施例中，所述平拨开关用于电压电流输入切换；当平拨开关断开时，电压直接输入到第一仪表放大器，当平拨开关通时，电流4-20mA经过200Ω电阻，转为0.8-4V电压。
在本发明进一步的实施例中，所述电源输入信号通道包括IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道。
在本发明进一步的实施例中，8个所述电源输入信号通道输入的电压或由电流转为的电压，经过第一仪表放大器后到第一AD采集芯片，通过第一单片机的控制进行AD采集。
本发明的实施例还提供一种多通道高精度AD采集修正电路的快速修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、校准前，确保采用人工的方式校准校验台部分的AD采集精度，使得误差小于万分之五。
S1、将校验台部分的数控电源输出的电压与AD转换部分的IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道、校验台部分的电压通道U+/U-电连接，AD转换部分的平拨开关打到断开状态；
S2、将校验台部分的串口第二RS232芯片与AD转换部分的串口第一RS232芯片连接；
S3、打开AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关；
S4、按压校验台部分的校验按键，开始校验过程；
S5、校验台部分发送协议 0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码，0X2710=10000，将默认系数10000发送给AD转换部分；AD转换部分收到后保存并回复0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码；
S6、校验台部分和AD转换部分应答成功后，校验台部分控制数控电源按照0.3V每段进行电压分段，依次分为0-0.3V、0.3-0.6V、0.6-0.9V、0.9-1.2V、1.2-1.5V、1.5-1.8V、1.8-2.1V、2.1-2.4V、2.4-2.7V、2.7-3.0V、3.0-3.3V、3.3-3.6V、3.6-3.9V、3.9-4.2V、4.2-4.5V、4.5-4.8V、4.8-5.0V这0-16段电压，每0.3V一个间隔选一小于上限的值进行电压输出；
S7、校验台部分每输出1个电压后，延时300ms，发送0xFE 0x F1通道号（0x 00-0x 07）和校验码，依次读取AD转换部分计算值；
S8、AD转换部分接收到上述命令后，第一单片机程序计算第一AD采集芯片的电压，并发送 0xFE 0xF2 通道号（0x 00-0x 07）计算值和校验码；
S9、校验台部分接收到AD转换部分的计算值后，计算修正后的K值；
S10、校验台部分计算了各通道的K值后，并自动判断所属电压段后，发送修正后的K值协议：0xFE 0xF3通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；AD转换部分接收到协议后，将该段修正后的K值保存到第一单片机的EEPROM中，发送回复协议：0xFE 0xF3 通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；
S11、依次类推，第0段电压输出校验结束，按同样的方法自动继续第1段，直到0-16段电压输出全部校验完成；
S12、AD转换部分重新上电后将EEPROM的修正后的K值读出，从而，第一单片机程序根据内部算法获得分辨率为0.1mv，误差小于千分之一的电压值，实现了高精度的计算。
在本发明进一步的实施例中，所述步骤S8和步骤S12中，AD转换部分，第一单片机的程序设计中，电压计算值通过以下算法获得，U计算=AD采集值*5*K/2n；其中，n为AD采集的位数；K为修正系数，默认为10000。
在本发明进一步的实施例中，所述步骤S9中，计算修正后的K值时，校验台所计算的电压标准值为U校准，AD转换部分返回的计算值为U计算；则K=U校准*10000 /U计算。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的多通道高精度AD芯片修正电路包括AD转换部分和校验台部分，将AD转换部分与校验台部分进行电性连接，对AD转换部分进行校验，获得每段电压的修正系数K值，从而保证了AD转换部分的高精度，同时，采用这种电路结构进行修正，减少了人工修正的耗时，并且准确性更高，适合批量进行修正，更加方便。
本发明的快速修正方法是基于多通道高精度AD芯片修正电路进行修正，这种修正方法通过校验台部分的简单操作结合单片机内的简单算法进行修正，实现高精度的计算，得到更加准确的修正值，从而保证AD芯片的高精度。
附图说明
图1为本发明的电路结构框图；
图2为本发明的AD转换部分中一个第一AD采集芯片的信号采集电路图；
图3为本发明的AD转换部分的第一单片机的电路图；
图4为本发明中的第一RS232芯片与第二RS232芯片的电路图；
图5为本发明中的第二单片机作为校准单片机及数控电源的电路图；
图6为本发明中的校验台部分中输入第二单片机信号处理部分的电路图；
图7为本发明中的相关按键、液晶屏的电路图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种多通道高精度AD芯片修正电路，包括AD转换部分和校验台部分；所述校验台部分包括一数控电源，所述数控电源为AD转换部分提供多个电源输入信号通道并为校验台提供一电压输入信号通道；所述AD转换部分包括多个第一AD采集芯片、第一单片机、第一RS232芯片、多个平拨开关、多个第一仪表放大器、多个第一电阻；每一所述第一AD采集芯片分别通过一平拨开关、一第一仪表放大器及一第一电阻连接一电源输入信号通道；多个所述第一AD采集芯片电连接第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端电连接第一RS232芯片；所述校验台部分包括一第二AD采集芯片、第二单片机、第二RS232芯片、第二仪表放大器；所述第二AD采集芯片通过第二仪表放大器电连接电压输入信号通道，所述第二AD采集芯片电连接第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端电连接第二RS232芯片；所述数控电源所输出的电压值由第二单片机控制，所述第一RS232芯片与第二RS232芯片电连接。具体的，第一AD采集芯片和第二AD采集芯片AD采集芯片可采用双通道AD7705、ADS1212U等；所述第一仪表放大器和第二仪表放大器可采用IN128；所述第一单片机和第二单片机选用STC12C5A32S2。首先把校验台部分通过专业机构校准到高精度，在这种情况下，默认校验台部分的数据是精确的，然后把AD转换部分计算值和校验台部分采集的数据进行比较，K=U校准*10000 /U计算就得到了K值。比如 校验台测的数据是3V，AD板测试的是2.98V，那么说明了原来的系数10000偏了，用新的K代替，实现也是3V的计算。
具体的，所述第二单片机电连接液晶屏、AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关、校验按键。液晶屏、AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关、校验按键分别与第二单片机的不同输入端口电性连接，AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关分别控制AD转换部分和校验台部分供电，所述校验按键用于控制是否开始校验；液晶屏用于显示校验结果。
具体的，所述第一电阻为万分之一精度的200Ω电阻。
具体的，所述平拨开关用于电压电流输入切换；当平拨开关断开时，电压直接输入到第一仪表放大器，当平拨开关通时，4-20mA电流经过200Ω电阻，转为0.8-4V电压。
具体的，所述电源输入信号通道包括IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道。
具体的，8个所述电源输入信号通道输入的电压或由电流转为的电压，经过第一仪表放大器后到第一AD采集芯片，通过第一单片机的控制进行AD采集。
如图2至图7所示，为本发明实施例的一具体电路，图2中以其中一个电源输入信号通道输入为例，电源输入信号通道通过接线柱J1从数控电源芯片TLC5615接入，第一仪表放大器采用INA128芯片，第一AD采集芯片采用单通道数模转换器LTC1864IS8芯片为例；第一单片机采用STC12C5A60S2-48，电路连接关系如图3所示；第一RS232芯片与第二RS232芯片电连接关系如图4所示，第一RS232芯片与第二RS232芯片均采用Max232；第二单片机作为校准单片机与数控电源如图5所示，第二单片机采用STC12C5A60S2-48，数控电源选用芯片TLC5615；在校准台部分，信号的输入从数控电源芯片TLC5615接入，并且为AD转换部分提供GND信号，同时通过第二仪表放大器放大，第二仪表放大器采用INA128芯片，经信号放大后，输入到第二单片机STC12C5A60S2-48，具体如图6所示；在本发明中一具体实施例中，相关按键及液晶屏的连接方式如图7所示。
本发明的实施例还提供一种多通道高精度AD芯片修正电路的快速修正方法，包括以下步骤：
S0、校准前，确保采用人工的方式校准校验台部分的AD采集精度，使得误差小于万分之五。
S1、将校验台部分的数控电源输出的电压与AD转换部分的IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道、校验台部分的电压通道U+/U-电连接，AD转换部分的平拨开关打到断开状态；
S2、将校验台部分的串口第二RS232芯片与AD转换部分的串口第一RS232芯片连接；
S3、打开AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关；
S4、按压校验台部分的校验按键，开始校验过程；
S5、校验台部分发送协议 0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码，0X2710=10000，将默认系数10000发送给AD转换部分；AD转换部分收到后保存并回复0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码；
S6、校验台部分和AD转换部分应答成功后，校验台部分控制数控电源按照0.3V每段进行电压分段，依次分为0-0.3V、0.3-0.6V、0.6-0.9V、0.9-1.2V、1.2-1.5V、1.5-1.8V、1.8-2.1V、2.1-2.4V、2.4-2.7V、2.7-3.0V、3.0-3.3V、3.3-3.6V、3.6-3.9V、3.9-4.2V、4.2-4.5V、4.5-4.8V、4.8-5.0V这0-16段电压，每0.3V一个间隔选一小于上限的值进行电压输出；
具体分段如下：
第0段：0.0-0.3V
第1段：0.3-0.6V
第2段：0.6-0.9V
第3段：0.9-1.2V
第4段：1.2-1.5V
第5段：1.5-1.8V
第6段：1.8-2.1V
第7段：2.1-2.4V
第8段：2.4-2.7V
第9段：2.7-3.0V
第10段：3.0-3.3V
第11段：3.3-3.6V
第12段：3.6-3.9V
第13段：3.9-4.2V
第14段：4.2-4.5V
第15段：4.5-4.8V
第16段：4.8-5.0V
S7、校验台部分每输出1个电压后，延时300ms，发送0xFE 0x F1 通道号（0x 00-0x 07）和校验码，依次读取AD转换部分计算值；
S8、AD转换部分接收到上述命令后，第一单片机程序计算第一AD采集芯片的电压，并发送 0xFE 0xF2通道号（0x 00-0x 07）计算值和校验码；
S9、校验台部分接收到AD转换部分的计算值后，计算修正后的K值；
S10、校验台部分计算了各通道的K值后，并自动判断所属电压段后，发送修正后的K值协议：0xFE 0xF3通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；AD转换部分接收到协议后，将该段修正后的K值保存到第一单片机的EEPROM中，发送回复协议：0xFE 0xF3 通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；
S11、依次类推，第0段电压输出校验结束，按同样的方法继续第1段，直到0-16段电压输出全部校验完成；
S12、AD转换部分重新上电后将EEPROM的修正后的K值读出，从而，第一单片机程序根据内部算法获得分辨率为0.1mv，误差小于千分之一的电压值，实现了高精度的计算。
在本发明进一步的实施例中，所述步骤S8和步骤S12中，AD转换部分，第一单片机的程序设计中，电压计算值通过以下算法获得，U计算=AD采集值*5*K/2n；其中，n为AD采集的位数；K为修正系数，默认为10000。
在本发明进一步的实施例中，所述步骤S9中，计算修正后的K值时，校验台所计算的电压标准值为U校准，AD转换部分返回的计算值为U计算；则K=U校准*10000 /U计算。
在本发明进一步的实施例中，所述步骤S10中，协议为0xFE 0xF3通道段号较准系数 和校验码。
根据本发明的快速修正方法，数控电源输出0-16段电压，经AD0-AD7这8个AD芯片采集并经第一单片机计算后，得到8个AD芯片所采集电压信号的计算值，校验台部分的标准值与AD0-AD8的计算值之间的关系如下表1所示。
表1 0-16段电压区间在校验台所测得的U标准与AD0-AD8的U计算
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，AD转换部分的计算值与校验台部分的标准值之间存在偏差，将这一偏差通过K=U校准*10000 /U计算这一计算公式进行计算，可得到如表2所示的针对AD0-AD7在0-16段电压区间所对应的修正系数。
表2 AD0-AD7在0-16段电压区间所对应的修正系数
Figure 869045DEST_PATH_IMAGE002
将如表2所示的K0-K7代入第一单片机的程序设计中，电压计算值通过以下算法获得，计算值U计算=AD采集值*5*K/2n，从而在AD转换部分重新上电后，将EEPROM的修正系数读出，从而得到与校验台部分相吻合的标准电压。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，如电阻的取值、单片机和AD之间的隔离、AD芯片选型等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，包括AD转换部分和校验台部分；所述校验台部分包括一数控电源，所述数控电源为AD转换部分提供多个电源输入信号通道并为校验台提供一电压输入信号通道；所述AD转换部分包括多个第一AD采集芯片、第一单片机、第一RS232芯片、多个平拨开关、多个第一仪表放大器、多个第一电阻；每一所述第一AD采集芯片分别通过一平拨开关、一第一仪表放大器及一第一电阻连接一电源输入信号通道；多个所述第一AD采集芯片电连接第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端电连接第一RS232芯片；所述校验台部分包括一第二AD采集芯片、第二单片机、第二RS232芯片、第二仪表放大器；所述第二AD采集芯片通过第二仪表放大器电连接电压输入信号通道，所述第二AD采集芯片电连接第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端电连接第二RS232芯片；所述数控电源所输出的电压值由第二单片机控制，所述第一RS232芯片与第二RS232芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，所述第二单片机电连接液晶屏、AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关、校验按键。
3.根据权利要求1所述的一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，所述第一电阻为万分之一精度的200Ω电阻。
4.根据权利要求1所述的一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，所述平拨开关用于电压电流输入切换；当平拨开关断开时，电压直接输入到第一仪表放大器，当平拨开关通时，4-20mA电流经过200Ω电阻，转为0.8-4V电压。
5.根据权利要求1所述的一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，所述电源输入信号通道包括IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道。
6.根据权利要求5所述的一种多通道高精度AD采集修正电路，其特征在于，8个所述电源输入信号通道输入的电压或由电流转为的电压，经过第一仪表放大器后到第一AD采集芯片，通过第一单片机的控制进行AD采集。
7.一种根据权利要求1所述的多通道高精度AD采集修正电路的快速修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、校准前，确保采用人工的方式校准校验台部分的AD采集精度，使得误差小于万分之五；
S1、将校验台部分的数控电源输出的电压与AD转换部分的IN0+/IN0-到IN7+/IN7-这8个电源输入信号通道、校验台部分的电压通道U+/U-电连接，AD转换部分的平拨开关打到断开状态；
S2、将校验台部分的串口第二RS232芯片与AD转换部分的串口第一RS232芯片连接；
S3、打开AD转换部分电源开关、校验台部分电源开关；
S4、按压校验台部分的校验按键，开始校验过程；
S5、校验台部分发送协议 0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码，0X2710=10000，将默认系数10000发送给AD转换部分；AD转换部分收到后保存并回复0XFE 0XFE 0X27 0X10 和校验码；
S6、校验台部分和AD转换部分应答成功后，校验台部分控制数控电源按照0.3V每段进行电压分段，依次分为0-0.3V、0.3-0.6V、0.6-0.9V、0.9-1.2V、1.2-1.5V、1.5-1.8V、1.8-2.1V、2.1-2.4V、2.4-2.7V、2.7-3.0V、3.0-3.3V、3.3-3.6V、3.6-3.9V、3.9-4.2V、4.2-4.5V、4.5-4.8V、4.8-5.0V这0-16段电压，每0.3V一个间隔选一小于上限的值进行电压输出；
S7、校验台部分每输出1个电压后，延时300ms，发送0xFE 0x F1通道号（0x 00-0x 07 ）和校验码，依次读取AD转换部分计算值；
S8、AD转换部分接收到上述命令后，第一单片机程序计算第一AD采集芯片的电压，并发送0xFE 0xF2通道号（0x 00-0x 07）计算值和校验码；
S9、校验台部分接收到AD转换部分的计算值后，计算修正后的K值；
S10、校验台部分计算了各通道的K值后，并自动判断所属电压段后，发送修正后的K值协议：0xFE 0xF3通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；AD转换部分接收到协议后，将该段修正后的K值保存到第一单片机的EEPROM中，发送回复协议：0xFE 0xF3 通道号（0x 00-0x 07）段号（0x 0-0x 16）K值和校验码；
S11、依次类推，第0段电压输出校验结束，按同样的方法自动继续第1段，直到0-16段电压输出全部校验完成；
S12、AD转换部分重新上电后将EEPROM的修正后的K值读出，从而，第一单片机程序根据内部算法获得分辨率为0.1mv，误差小于千分之一的电压值，实现了高精度的计算。
8.根据权利要求7所述的一种多通道高精度AD采集修正电路的快速修正方法，其特征在于，所述步骤S8和步骤S12中，AD转换部分，第一单片机的程序设计中，电压计算值通过以下算法获得，U计算=AD采集值*5*K/2n；其中，n为AD采集的位数；K为修正系数，默认为10000。
9.根据权利要求7所述的一种多通道高精度AD采集修正电路的快速修正方法，其特征在于，所述步骤S9中，计算修正后的K值时，校验台所计算的电压标准值为U校准，AD转换部分返回的计算值为U计算；则K=U校准*10000 /U计算。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113125940A (zh) * 2021-04-16 2021-07-16 桥弘数控科技（上海）有限公司 一种电路板校正方法、装置及电子设备
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