CN2299341Y - 单片机控制综合参数测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片机控制综合参数测试仪,该机CPU能以多项式P_m(x)代替传感器信号f(x),使测量误差符合精度0.1%的要求;当单片机重新启动时,CPU使需复位的芯片全部复位,不会出现死机情况;光电隔离电路(1)输出端并有电容器C,使整机抗干扰性能好;显示电路(2)带有一个并入串出移位寄存器和一组n个级联的串入并出移位寄存器,能将n组并行数据同时锁存并供给译码器,在数显管上显示。

Description

单片机控制综合参数测试仪

本发明涉及一种计算机控制综合参数测试仪，尤其是可同时接受传感器输出的电压、电流、电阻或脉冲信号的计算机控制综合参数测试仪。

至今已公开的计算机控制综合参数测试仪分工业控制机控制和单片机控制两类，前者抗干扰能力强，但结构复杂，成本高；后者抗干扰能力差，容易死机，显示电路复杂；而且两类综合参数测试仪的测量精度都较低，不能高于传感器的精度。

中国专利ZL94247002.8公开了一种多功能单点智能数显温度表，这种温度表对传感器信号采用冷端温度软件补偿法，即通过在单片机内部进行查表运算来实现冷端补偿。这种方法的缺点是所用的数据太多，并且精度无法估算。

本发明的任务是提供一种单片机控制综合参数测试仪，它能提高测试精度和抗干扰能力，并能简化显示电路。

为了解决上述任务，本发明的解决方案是：

A、单片机中的CPU，对传感器信号y_i与单片机A/D读数x_i的关系符合离散函数y_i＝f(x_i)(x_i互不相同，i＝0，1，…，m)的传感器系统，给定一个多项式P_m(x)，使在已知结点x_i满足y_i＝P_m(x_i)，面对区间[x₀，x_m]中其余各点，传感器信号连续函数f(x)与多项式连续函数P_m(x)间，使测量误差|f(x)-P_m(x)|符合精度0.1％的要求；

B、在单片机监视定时器开通的前提下，将单片机的输出管脚P_1.0～P_1.5和P_1.7与整个仪器内需复位的芯片的RST端相连接，当单片机重新启动时，CPU使这些输出管脚产生高电平——延迟——低电平，模拟复位脉冲，使整机复位；

C、光电隔离电路输出端即单片机的A/D输入端与模拟地之间并有电容器C；

D、显示电路带有一个并入串出移位寄存器和一组n个级联的串入并出移位寄存器，2n个译码器和2n个数显管，每一次并行数据输入经并入串出移位寄存器转换成串行数据后，串入并出移位寄存器的第1级接收这组串行数据并锁存以供给译码器，同时将原来锁存的数据推入串入并出移位寄存器的后一级。

采取了上述技术方案，由于单片机中的CPU能给定一个多项式P_m(x)代替被测函数f(x)，可以采用精度等级较低的非线性传感器而得到精度较高的测量结果，也降低了对其它线性元件的等级要求；由于采用整机复位的方法，可以做到永不死机；由于光电隔离电路输出端即单片机A/D输入端与模拟地之间并有电容器C，可使单片机内A/D工作正常，提高了抗干扰能力；由于采用了串并行移位寄存器相结合的显示电路，元件节省，安装调试及扩充电路都十分方便。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明具体实施例整机电路原理框图。

图2是图1所示实施例显示电路原理图。

图1是本发明实施例整机电路原理框图，该图是针对十六路输入信号的。经放大后的十六路传感器输出信号a～p进入电子开关4067，单片机80C552经锁存器273选通4067，被选通的一路传感器信号，经光电隔离电路1进入80C552的一个ADC输入端。图中2764为外接ROM，80C552的P0口与锁存器373的D0～D7连接，373的A0～A7与2764的A0～A7连接；80C552的RST端接有复位电路7；如有脉冲信号q输入，可接到T0，80C552的P_2.5～P_2.7与三个译码器138的输入端A、B、C连接，P_2.3、P_2.4用于对三个138芯片进行选择，三个138的输出端Y_1.1～Y₁₇、Y_2.2～Y_2.7、Y_3.5～Y_3.7分别作为十六路D/A电路的片选信号。80C552的P_2.2和138译码器的Y_3.4分别接显示电路的A端和B端作为地址线， WR接显示电路的 WR；P_1.6接通信IC75176以控制通信收发；数据口D₀～D₇与各D/A转换电路0832的数据口D₀～D₇连接，0832的D/A信号经LM324放大后输出。本实施例共有16路D/A电路，图中只画出1路D/A电路，其余15路与其基本相同。通用并行口8155的 CE、IO/ M端分别接译码器138的Y_2.1和80C552的P_2.1；PB0～PB2分别接声、光报警和保护继电器开合电路3、4、5；PA0接显示电路的C端；C口用于检测键盘6。

图1中十六路传感器信号全部通过电子开关4067进入80C552的一个ADC输入端，用电子开关要考虑速度和抗干扰问题，80C552共有8个具有10位二进制数的ADC输入端，可把对速度、精度要求不高的信号通过电子开关，而把那些对速度、精度要求高的信号不通过电子开关直接接入其余ADC输入端。

图1中单片机的CPU还能对传感器信号y_i与单片机A/D读数x_i的关系符合离散函数y_i＝f(x_i)(x_i互不相同，i＝0，1，…，m)的传感器系统，给定一个多项式P_m(x)，使在已知结点x_i满足y_i＝P_m(x_i)，而对区间[x₀，x_m]中其余各点，传感器信号连续函数f(x)与多项式连续函数P_m(x)间，使测量误差|f(x)-P_m(x)|符合精度0.1％的要求，从而可以用P_m(x)代替传感器信号f(x)，使测量误差符合精度要求。

由于温度、压力等传感器电路的输出信号对被检测信号如温度、压力等不成线性比例，还由于机器内其它放大电路的非线性误差，从而使计算机控制综合参数测试仪信号输出出现误差。为提高整机测量精度，常用的硬件方法是采用输出线性好的传感器，提高其它放大电路的线性度和采样电路的分辨率，但采用上述措施必将增加设备成本。常用的软件补偿方法是斜率法、抛物线法或查表法，斜率法和抛物线法精度不高，查表法则用的数据太多，并且精度无法估算。本发明采用插值或逼近方法，究竟采取插值法还是逼近方法应根据具体情况而定，一般地说，如果观测数据比较精确可用插值法，如果观测数据有较大误差，应采用逼近方法。在插值中比较简单实用的是拉格朗日插值，在逼近中比较简单实用的是最小二乘曲线拟合。

以测温度为例，假设温度传感器电路测温端接铂电阻，测温范围是0℃～100℃。应用拉格朗日插值法可分为三个步骤：①、反复测量插值点。由于铂电阻与温度有较精确的对照关系，以精度较高的电阻箱代替铂电阻，不断改变电阻箱的阻值，使其变化范围对应铂电阻在温度为0℃～100℃时的阻值，把0℃～100℃分成几个小区间，对每一个小区间以A/D输入端电压(以A/D读数代替)为自变量，铂电阻值R为因变量，测得一组电阻R与A/D读数的对应值(r₀，v₀)，(r₁，v₁)，…，(r_m，v_m)，以其作为插值点。

②、生成插值多项式。根据测得的插值点数据，代入拉格朗日公式， $R=\frac{(V-v_1)(V-v_2)......(V-v_m)}{(v_0-v_1)(v_0-v_2)......(v_0-v_m)}{r}_0+\frac{(V-v_0)(V-v_2)......(V-v_m)}{(v_1-v_0)(v_1-v_2)......(v_1-v_m)}{r}_1$ $+...+\frac{(V-v_0)(V-v_1)......(V-v_{m-1})}{(v_m-v_0)(v_m-v_1)......(v_m-v_{m-1})}{r}_m,$ 可求得插值多项式R＝A_mV^m+A_m-1V^m-1+…+A₁V+A₀的系数A_m，A_m-1，…，A₁和A₀。

③、校验。一般地说插值点是可以符合精度要求的，需要重点校验的是那些非插值点，取区间内的一个A/D读数，代入插值多项式求得R值，再与实测值比较，应符合精度要求，如系统漂移在允许范围内，精度要求可设为0.1％，如与实测值比较不能达到精度要求，可把这一区间再分成两个或多个小区间，重新按上述步骤选取插值点，生成插值多项式，再进行校验，直到所有校验点都符合精度为止。如果还要提高精度，需采用精度更高的A/D芯片。为同时满足简化操作和保证精度要求，多项式P_m(x)次数即m值不超过8，本实施例中m＝4。

在ROM中存一张表，顺序记录每路的类型值，设置一个路数计数器，在测量程序中依次获得每路的类型值和A/D读数，根据不同类型进行不同处理动作。若同一类型各路模型相同，只要针对各路类型值处理即可；若同一类型的各路模型不同，则必须根据类型值和路数进行处理。计算的结果存入RAM中为每路分配的内存单元中(也就是每路的显示缓冲区)，再送显示电路和D/A输出电路。

对观测数据误差较大的情况，若实验数据(x_i，y_i)具有多项式曲线型，如二次型、三次型、四次型等，应采用比较简单实用的逼近方法即最小二乘曲线拟合。具体地说，求多项式y＝a₀+a₁x+……a_mx^m使得

最小。

在单片机监视定时器开通的前提下，将单片机的输出管脚P_1.0～P_1.5和P_1.7与整个仪器内需复位的芯片的RST端相连接，当单片机重新启动时，CPU使这些输出管脚产生高电平一延迟一低电平，模拟复位脉冲，能使整机复位，不会出现死机情况。

对于带有监示定时器的8XC552系列单片机，若用户程序没有在指定的时间(监视时间间隔)内对监视定时器重新装入初值，监视定时器就会溢出，产生复位信号，从而避免单片机死机。但单片机不死机并不能保证整台仪器不死机，因为仪器内部可能还有其它需复位的芯片。为解决这一问题，本发明将单片机输出管脚P_1.0～P_1.5和P_1.7与仪器内需复位的芯片的RST端相连，当单片机重新启动时，用软件方法使输出管脚产生高电平——延迟——低电平，即可模拟复位脉冲，使所有需复位的芯片都复位，这样整台仪器就永不死机。由于是软件控制，针对不同的芯片可产生不同的复位脉冲，设置灵活，同时可节省硬件开销。图1中P_1.0接8155，其它输出管脚可接其它需复位的芯片。

8XC552系列单片机内有A/D变换电路，减少了51产品A/D与CPU之间的干扰。但实际应用中仍不能达到令人满意的效果。本发明在光电隔离电路1的输出端即单片机的A/D输入端与模拟地之间并有一个0.02u～0.5u的电容器C，进一步减小了A/D与CPU之间的干扰，可使CPU工作正常。本实施例中C＝0.1uf。

图2是图1所示实施例显示电路原理图。显示电路带有一个并入串出移位寄存器21和一组n个级连的串入并出移位寄存器22，2n个译码器23和2n个数显管24，以及计数器25和反相触发器26，每一次并行数据输入经移位寄存器21转换成串行数据后，移位寄存器22的第1级接收这组串行数据并锁存以供给数显管译码器23，同时将原来锁存的数据推入移位寄存器22的后一级。

设共有2n个数显管24，需2n个译码器23和n个串入并出移位寄存器22，CPU选通显示器地址A和B，把已处理好待显示的数据打入寄存器21，并选通所有串入并出移位寄存器22，同时经反相对计数器25清零，非门28用于时钟整形。通过与门27，在时钟ALE作用下，每来一个脉冲就把数据向寄存器22推进一位，这时ALE通过与门27也作用在计数器25上，每来一个脉冲计一个数，当来8个脉冲后，第一个字节数据(两位十进制数)被推到第一个移位寄存器22-1上锁存并供给前两个译码器23-1和23-2，在前两个数显管24-1和24-2上显示出来，这时计数器25的QD＝1，经反相对触发器26清0，触发器26的Q＝0，即检测端C＝0，CPU检测到C＝0时就知道第一个字节已送完。接着送第二个字节数据，把第一个字节数据推到第2个移位寄存器22-2上锁存并供给译码器23-3和23-4，在数显管24-3和24-4上显示出来，同时把第二个字节数据锁存在移位寄存器22-1上，并供给译码器23-1和23-2，在数显管24-1和24-2上显示出来，…，当打入n个字节数据后则第一个字节数据显示在数显管24-(2n-1)和24-(2n)上，…，第n个字节数据显示在数显管24-1和24-2上。至此，一个完整的输入及显示数据的过程完成。之后，再根据CPU对显示电路选通信号重复执行上述输入及显示数据的过程。每路信号有2个字节数据，用四个数显管显示。

若保证各级之间信号不衰减，从原理上讲，数码管可无限扩充。在当今技术条件下，该电路可扩充到至少100个数码管，即n＝50。显示数码管的增加对CPU资源无影响，相对来说数码管越多，所用元件越省。

应该说明的是，这种串并行显示电路，不仅适合于单片机控制综合参数测试仪，也适合于其它数字电子测量仪器，这些情况，都属于本发明应保护的权利范围。

Claims (7)

1、一种单片机控制综合参数测试仪，包括单片机、传感器放大电路、光电隔离电路、显示电路、D/A电路、复位电路以及声、光报警电路等，其特征在于：

A、单片机中的CPU，还能对传感器信号y_i与单片机A/D读数x_i的关系符合离散函数y_i＝f(x_i)(x_i互不相同，i＝0，1，…，m)的传感器系统，给定一个多项式P_m(x)，使在已知结点x_i满足y_i＝P_m(x₁)，而对区间[x₀，x_m]中其余各点，传感器信号连续函数f(x)与多项式连续函数P_m(x)间，使测量误差|f(x)-P_m(x)|符合精度0.1％的要求；

B、在单片机监视定时器开通的前提下，将单片机的输出管脚P_1.0～P_1.5和P_1.7与整个仪器内需复位的芯片的RST端相连接，当单片机重新启动时，CPU使这些输出管脚产生高电平——延迟——低电平，模拟复位脉冲，能使整机复位，不会出现死机情况；

C、光电隔离电路(1)输出端即单片机的A/D输入端与模拟地之间并有电容器C；

D、显示电路(2)带有一个并入串出移位寄存器(21)和一组n个级联的串入并出移位寄存器(22)，2n个译码器(23)和2n个数显管(24)，以及计数器(25)和反相触发器(26)，每一次并行数据输入经移位寄存器(21)转换成串行数据后，移位寄存器(22)的第1级接收这组串行数据并锁存以供给译码器(23)，同时将原来锁存的数据推入移位寄存器(22)的后一级。

2、根据权利要求1所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：多项式P_m(x)的次数即m值不超过8。

3、根据权利要求2所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：多项式P_m(x)的次数即m值为m＝4。

4、根据权利要求1所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：显示电路(2)中移位寄存器(22)的级数n至少可达50。

5、根据权利要求4所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：显示电路(2)中移位寄存器(22)的级数为：n＝32。

6、根据权利要求1所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：光电隔离电路(1)输出端即单片机A/D输入端与模拟地之间并入的电容器容量为：C＝0.02uf～0.5uf。

7、根据权利要求6所述的单片机控制综合参数测试仪，其特征在于：光电隔离电路(1)输出端即单片机A/D输入端与模拟地之间并入的电容器容量为：C＝0.1uf。