基于dsPIC30F的高精度数据采集器的研制

　　引 言
　　

　　随着现代工业生产和科学研究对数据采集系统的要求日益提高，采集精度、抗干扰能力和操作安装的简易与否成为人们采集数据时关注的主要问题，这使得高精度的数据采集技术成为关键。

　　基于单片机或其他系列DSP的数据采集器，受芯片功能和结构的限制，硬件设计中往往需要较多的外围电路，导致装置的整体集成度不高，硬件开发相对复杂，使数据采集器的可靠性和抗干扰能力受到极大的限制。基于dsPIC30F系列数字信号控制(DSC)芯片，采用高精度、低噪声、22位分辨率的新型Δ-Σ A/D转换器MCP3551的高精度数据采集器，具有数据精度高、芯片集成度高、开发方便等特点。

　　Microchip公司推出的dsPIC30F系列芯片是一款将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器。以16位单片机为核心的dsPIC30F系列芯片不仅具有功能强大的外围设备和快速中断处理能力，同时还融合了可进行高速计算的数字信号处理器。此外，它在异常事件处理、软件开发环境等方面也表现出强大的性能。由于dsPIC30F芯片的内部资源丰富，因此基于dsPIC30F平台开发的数据采集器仅需要很少的外设。不但装置的抗干扰性和可靠性能够满足数据采集器在各种环境下运行的要求，而且可以提升系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。

　　数据采集系统设计

　　数据采集系统如图1所示，主要由模拟信号调理电路、A/D转换电路、显示电路和485通信电路等构成。信号进入A/D转换器之前要进行处理，模拟信号处理是影响系统性能的重要因素之一，设计时考虑信号质量，提高信噪比，尽量减少畸变。设计时在调理电路中采用电位器微调，稳压管限制输入量程。在A/D转换电路中采用Microchip公司的MCP3551芯片采样并转换信号，它以三线的SPI方式和dsPIC30F微处理器联接。dsPIC30F微处理器控制A/D采样转换，并通过显示电路数码管显示输出及RS485与计算机通信。输入信号为0~30mA的电流信号，经过调理电路的处理，进入MCP3551E的输入端的差分信号幅度范围为0～3V，同时信噪比高。A/D转换电路是数据采集系统的核心部分，本系统采用Microchip公司的MCP3551芯片。该芯片使用Δ-Σ转换方法，实现最高22位的无丢失码数据输出，其有效分辨率为21.9位，转换精度高，功率消耗低。

　　系统硬件设计

　　高精度数据采集器以dsPIC30F2010芯片为核心，硬件结构图如图2所示。首先，由于dsPIC30F2010为16位数字信号控制器，其强大的计算能力和数据吞吐能力使得dsPIC30F2010能够单独完成数据处理、控制、通信、人机接口等功能，减少了芯片数量，简化了硬件结构。其次，由于dsPIC30F2010内部集成了许多必需的外围器件，如RAM、FLASH、EEPROM、USART、MSSP等，使得所需外围扩展电路很少，进一步简化了硬件结构。从图2可以看出，本装置的硬件结构非常简单，极大地提高了数据采集器的实时显示性及抗干扰性。

　　A/D采样转换模块设计

　　A/D采样转换模块采用MCP3551，它是一种高精度、低噪声、宽动态范围并采用单2.7V~5.5V电源供电的单通道22位分辨率Δ-Σ的A/D转换器，可在扩展温度范围（-40oC~+125oC）条件下工作，方便地测量低频低电压信号。

　　输入信号为0~30mA电流，经过调理电路的精密电阻R3把电流信号转换成电压信号，进入MCP3551的输入端的差分信号幅度范围为0~+3V的电压。电阻R4和电位器RP1并联构成微调电路。电阻R2为限流电阻。二极管D1、稳压管D2及电阻R5构成量程限制电路，当输入信号的幅值超过+5V，则二极管D1导通把信号限制在+5V，对后面的电路起保护作用。dsPIC30F微处理器的RB0、SDI和SCK引脚分别与MCP3551的片选端{C}halfnote_{}^{-}{S}halfnote_{}^{-} 、数据输出端SDO和串行时钟输入端SCK相连。RB0控制着转换的启动。转换状态由SDO/ R{D}halfnote_{}^{-}{Y}halfnote_{}^{-}引脚输出，在RB0为低电平时通过检测SDI获得。SDI引脚的高电平状态表示器件正在进行转换，而低电平状态则表示转换完成。同时使用SCK传输已准备就绪的数据。

　　在实际的测量中，参考电源是影响MCP3551采集精度的重要因素之一。为了减小其影响，参考电源必须稳定、噪声小。因此，使用REF3125作+2.5V电压的稳压芯片，以及利用外围电容的滤波作用进一步减少电压波动对MCP3551的影响。

　　RS485串行通信模块设计

RS485串行通信模块通过MAX485芯片进行信号收发。主控机处于远程控制室，所受干扰小，因此用MAX485芯片完成数据通讯功能。而传输分站工作在环境恶劣的工业生产现场，干扰较大，因此dsPIC30F微处理器和MAX485之间采