基于A/D转换最小二乘法的数据采集应用

摘要：针对在工业污水处理过程当中,监测仪器所监测到的数据往往是通过各种模拟信号输出,而这些模拟信号必须通过A/D转换器变换为数字信号后才能送入计算机或数据采集器。基于此本文给出了一种基于TLC2543的串行A/D转换的设计,实现了对监测数据模拟量的转换,满足了低成本、低误差、抗干扰能力强的需要,并通过最小二乘法算法进行输出数据修正,达到了环保部分对有机污染物监测数据精度的要求。

引言：

在工业污水处理过程当中，往往需要监测污水的COD 值，而现场的监测仪器所监测到 的数据是通过各种模拟信号输出，这些模拟信号必须通过A/D 转换器变换为数字信号后才 能送入上位机或外接数据采集器。基于此，本文给出了基于A/D 转换器TLC2543 的软硬件 设计，并结合最小二乘法将输出数据进行修正，达到了环保部分对有机污染物监测数据精度 的要求。

1 系统硬件设计介绍

如图1所示，是系统电路图， A/D转换器采用TLC2543，它是12位串行模数转换器，使用 开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。其特点如下所述： A/D转换器有12位分辨率；在工作温度范围内转换时间为10us；有11个模拟输入通道；采用 3路内置自测试方式[1]；有转换结束(EOC)输出；具有单、双极性输出；有可编程的MSB或 LSB前导；输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位。在本系统中采用的输出长度设 定为12位。另外TLC2543与外围电路的连线简单,它有三个控制输入端为CS（片选）、输入/ 输出时钟（I/O CLOCK）以及串行数据输人端（DATA INPUT）；模拟量输入端AIN0 ～ AIN10 （1 ～ 9 脚、11 ～ 12 脚），11路输入信号由内部多路器选通，对于本系统，选用了AIN0 模拟输入端；系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步；正、负基准电压（REF+ ，REF-）由外部提供, 通常为VCC和地, 两者差值决定输人范围。在本系统中，输入模拟信号为4~20mA 电流的模拟量，也就是转换输入范围电压是0~5V。

单片机采用AT89LS51，如图1 所示。AT89LS51 是一个低功耗，高性能CMOS 8 位单片 机，有40 个引脚，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000 次的Flash 只读程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O） 口，5 个中断优先级，2 层中断嵌套中断，2 个16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信 口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性 存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中 央处理器和ISP Flash 存储单元。同时该芯片还具有PDIP、TQFP 和PLCC 等三种封装形式， 在本系统用采用的是PDIP 封装形式，输入/输出（I/O）口采用了P1 口如图1 所示，P1 口 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写"1"，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入 口。

1.1 TLC2543 主要引脚说明

AIN0～AIN10，引脚为1~9，11，12：模拟量输入端。11 路输入信号由内部多路器选 通（本系统采用通道AIN0）。

DATA OUT，引脚为16，A/D 转换结果的三态串行输出端。为高时处于高阻抗状态， 为低时处于激活状态。

DATAINPUT，引脚为17，串行数据输入端。由4 位的串行地址输入来选择模拟量输 入通道。

I/O CLOCK，引脚为18，输入/输出时钟端。I/OCLOCK 接收串行输入信号并完成以 下四个功能：（1）在I/O CLOCK 的前8 个上升沿，8 位输入数据存入输入数据寄存器；（2） 在I/OCLOCK 的第4 个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/OCLOCK 的最后一个下降沿为止；（3）将前一次转换数据的其余11 位输出到DATAOUT 端，在 I/OCLOCK 的下降沿时数据开始变化；（4）I/OCLOCK 的最后一个下降沿，将转换的控制信 号传送到内部状态控制位。

EOC，引脚为19，转换结束端。在最后的I/OCLOCK 下降沿之后，EOC 从高电平变 为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止。EOC 引脚由高变低是在第12 个时钟的 下降沿,它标志TLC2543 开始对本次采样的模拟量进行A/ D 转换,转换完成后EOC 变高, 标志转换结束。

1.2 串口输出电路介绍

如图2所示，是MAX232芯片与单片机AT89LS51与PC机的具体电路图，外围元件都是按照 MAX232的标准外围元件接入，其连接电路简单，稳定；串口针脚的接法也是按照标准工业的