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基于动态扫描电路的数据采集器
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  • 更新时间:2014-08-08
  • 发 布 人忘川秋水
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  • 早期的盘装式指示仪表都为指针式仪表,目前数字显示仪表已非常普遍,然而指针式仪表以其直观的指示仍然较受工厂操作工人的欢迎 ,特 别是象带指示的输出型仪表 如输出4-20mA的模拟操作器、伺服操作器等更是如此,但指针式仪表也有较大的缺点,如显示分辨率低 4-20mA模拟表头分辨率通常只有士5%、精度差、稳定性差、防抖能力差、运输过程中表头容易受损、使用寿命不及数字显示仪表等,而光柱显示仪既具有指针仪表的显示直观的优点,又提高了指示分辨率 如 101型分辨率可达土1%和指示精度 ,其稳定性、防抖能力、使用寿命等方面也已达到了数字显示仪表的水平 。本设计的数据采集器的结果便以光柱显示。

    1 原 理为了直观地判断模拟信号的大小通常需要将模拟信号转换为数字信号,在当前流行的PLC、DCS、FCS系统中都是采用A模件采样模拟信号,在经过工程量转换后在计算机人机界面上加以显示,但有些重要的或特殊的参数仍然需要以仪表的方式在本地进行显示,光柱显示以其直观、稳定、使用寿命长等优点在某些诚较受欢迎。本设计采用-种动态扫描模拟信号的方法,将模拟信号转换成数字信号,在没有CPU的情况下以光柱的形式显示。

    2 实现 方法2.1 光枉光柱是 由许多条形发光二极管紧密排列成柱状的发光体,分为共 阴和共阳两种,每十个发光二极管为-N,另外还有O%这-特殊段 通常设计成常亮。共阴型每组内十个发光二极管的阴极在内部连在-起,各组内序号相同的发光二极管的收稿 日期 :2 O1 3-O5-28作者简介:吴建军 197 0-,男,高级工程师,主要从事工业 自动化仪表、现场总线、数据采集系统、智能矿用设备的研 究工作 。

    阳极也在内部相连;共阳型每组内十个发光二极管的阳极在内部连在-、起,各组内序号相同的发光二极管的阴极也在内部相连。驱动光柱可以采用静态和动态两种方式,静态驱动将点亮所有应亮的二极管,故显示稳定,但功耗大,需要元器件多,成本高,而采用动态驱动,在同-时刻只点亮某 -组内应亮的发光二极管,利用人视觉的暂态效应,同样可以获得稳定的显示,且大大降低了功耗及节约成本,同时还提高了仪表的可靠性。

    2.2 光柱驱动 电路首先介绍光柱的驱动芯片LM3914。它是美国NATON-AL sEMc0NDucT0R公司生产的集成电路∩驱动 10只LED,提供与模拟信号对应的线性显示。

    - -----图1 LM3914功能框图其主要特点为:点 DOT或条 BAR两种显示方式可选可级联 最多可扩展至 100段;内部电压基准1.2V~12V可编程输出;320V单电源供电 极限值可达25V;基于动态扫描电路的数据采集器 吴建军LED驱动器是电流可调的集电极开路输出;可编程输出电流 2mA-30mA;输入电压达35V时仍町保证器件不被损坏;输出可直接同TTL或CMOS接口;内部 10级驱动器的基准低端是刚的,可 以设计成很宽范围的基准电压源 从而可测很宽范围的电压输入信号。

    LM3914内部有十级比较器,这十个比较器的正输入端分别接至内部十个分压电阻的十级输出上,输入信号经缓冲器缓冲后接入这1个比较器的负输入端,内部十级分压电阻的低端电阻接至第4脚后悬空输 出,并且片内还有点 D0T或条BAR选择电路,以及 1.25V电压基准电路,该基准电压可以编程输出,在7、8脚之间接-电阻 R.,第8脚和GND之间接--电阻 R ,由于7、8脚问的电压为 1.25V,则此时7脚基准输出为Vref1.251R:/R。。当输入信号高于内部的最大分压值 亦即第6脚基准电压输入,则内部十个比较器均输出低状态,外接的十个发光二极管都亮;当输入信号低于第6脚基准电压输入时,如输入 电压高于第N级分压值 但低于第N1级分压值,则前N个比较器输出低状态,其余比较器均输出高状态,外接LED前N个亮,其余不亮 图 1中第 1脚为第-个比较器输出,住上依次是第2至第10个比较器的输出。

    图 2光柱驱动电路图2中P 为光柱,它是共阳式 1O1型 共 101段,其中包括 0%这 -段,分为10组,每组 10个发光二极管,分辨率为士1%,其A~J 十个管脚分别为十组发光二极管的公共阳极,LK1~LK10分别为每组的十个发光二极管的阴极 各组序号相同的发光二极管的阴极在内部相连,DOT、DOT-为0%这 特殊段的F负引脚,图中将0%这-段设计成常亮。图2中A~J分别接至BG1~BG10的发射极E,BG1~BG10的集电极C均接至 电源端 VCC,BG1~BG10的基极 B是 受图 5中U2CD4017的Ql~Q9控制,在同-时刻只会有-个Q端为高使相应的 极管导通,与之对应的这-组发光二极管才会得到电源,这样就保证了同-时刻有且仅有-组发光二极管有显示。

    U6 LM3914 的 LED1~LED10输 出 端 分 别 接 至 P1的LKl~LK10,U6的第8脚接地,则第 7脚输 出为 1.25V,图中W2为凋量程的电位器,调节它以改变U6第6脚的电压,使其为0.4V,同时U6的第 4脚接地,则内部十级 比较器的各级参考基准分别为0.04V、0.08V0.4V,每级递增0.04V,根据从第5脚输入的信号大小来决定U6的LED1~LED10的输出状态。

    84Q5 vcc01 RESETeo CLKQ2 CLK/ENQ6 CoutQ7 Q9Q3 Q4OND Q8网3 CD4017引脚图2.3 动 态扫描模 拟信 号电路首先介绍十进制计数/分配器CD4017,它是实现动态扫描的关键器件之-,其引脚图见图3。它是由约翰逊计数器和译码器两部分电路组成。它有三个输入端:复位端RESET、时钟端CLK及/EN、十个译码输出端Q0~Q9以及-个进位输出端Cout。在复位状态时,只有Q0为高电平 1”,Q1~Q9均为低电平 0”,当有脉冲输入时,输出端依次变为高电平 1”,原来为高电平 1”的输出端则变为低电平 0”,其进位端Cout在级联时使用。

    cP网4 CD4017波形图图 5中 R 、Z 、C 、W 、R:、R 是 由可编程 稳压基 准TL431组成的5V基准源电路,w,为调零电位器。调节w,可以使光柱在零点时显示0%,R4~R14组成分压网络,根据图5中的参数,R14上分得的电压为 1.0V,往上依次为 1.4V、1.8V4.6V 依次递增0.4V,这些电压分别接至模拟开关u 、u 、U CD4066,CD4066为每路单独控制的模拟开关,当控制信号为高时开关导通。由u 、u 、u 组成的十个模拟开关的控制端分别接至U2 CD4017的O。~O 。U1NE555为时基电路,u.及R1。、 、C,、C 组成-个多谐振荡器,输出频率为 1.2K左右、占空比为92%左右的时钟信 号。该时钟信号输出至u:的时钟输入端CLK,则U:的Q。~Q 将随着 CLK端脉冲的输入而依次并且是循环变高 同-时刻有且仅有 个为高,故图5中十个模拟开关分别导通,而这十个模拟开关的输出共 同接至四运放A.LM324的第 3脚 A A的正输入端。A。A设计成射极跟随器,其放人倍数为l,其作用为提高输入阻抗。420mA电流输入信号流经R15这--250Q精密电阻转换成 1~5v电压信号,该信号再经A1B这-级射极跟随器提高输入阻抗后再接至下-级运放电路。图5中A C及R。 、Rn∞叭 。凹 ∞∞加《自动化与仪器仪表2013年第 期总第169期R R. 组成差动放大 电路 ,由于R。 :R。 R R。 lOOK,则该差动运放的输出为:VoutV。.V 1×R。 fR。 V -V。,即缓冲后的输入信号与缓冲后的模拟开关输出之差。该输出接至图2中U6的第5脚 SG。由于输入420mA电流信号转换成 1~5V后要对应显示0%~100%,故低端应减掉 1V 因 1V时显示0%,所以输入信号为 1.OOV时U6的第5脚输入信号为OV,只有0%这- 段发光二极管会亮,由于图2中U6的第6脚为0.4V,故输入信号为 1.04V~1.40V时对应显示 1%~10%这-组十个发光二极管为-组,输入信号每增加0.04V显示增加-段发光二极管,即步长为0.04W段,输入信号为 1.44V~1.80V时对应显示 11%~ 20%这-组 ,输入信号为 1.84V~2.20V时对应显示 21%~30%这-组,依此类推 ,输入信号每递增 0.4V,显示即增加-组 ,当输入信号为4.64V~5.OOV时对应显示91%~100%这-组。U2的第 14脚 CLK不断接收到来 自U1的第 3脚 O的脉冲信号,各Q端依次变高且下-个 Q端变高的同时原来为高的e端会变低,即同-时刻有且仅有-个O为高,亦即同-时刻有且仅有-个模拟开关导通,这样就保证了动态扫描时信号的唯- 性,当Qo为高时,Vout- V1.1.OV,由于图2中U6的第6脚为0.4V,如V1高于 1.4V 即Vout高于0.4V,则第 1组十段发 光二极 管全亮 ,否则只 点亮其 中应 亮 的几 段 步 长为0.04V/段,例如:V1为1.20V,Vout即为0.20V,则只点亮第 1组头5段发光二极管;下-个脉冲到来后O1变为高状态,eo变为低状态,此时VoutV1-1.4V,如V1高于 1.8v即Vout高于0.4V,则第2组十段发光二极管全亮 ,否则只点亮其 中应亮的几段 步长仍为0.04V/段,例如:V1为 1.60V,Vout即为0.20V,则只点亮第2组头5段发光二极管;依次类推。从以上的分析可知,该动态扫描电路实现了将输入信号动态地减去不同的参考电压的功能,而图2中u 第6脚输入的电压基准- 直没有改变,为0.4V,这样就实现了动态显示各组发光二极管的功能,利用人视觉的暂态效应 ,得到的仍然是稳定的显示。除了0%常亮外,在同-时刻另外只有某-段有显示,所以大大节约了功耗。同时其元器件数量也较静态显示少得多,既节约了成本,又提高了仪表的可靠性。

    --1 ~-J f -墅二 :社f兰 -鬈±芝兰§~带 蚩'- 粤 下--避 滔 -世罐 三导- ~ :± 茎 登-盘臣:j 螽 姆j莲: - j 档 - j 璺± -3 设计验证按照上述设计的数据采集器在现场运行 良好,显示稳定可靠,既克服了传统的指针式仪表容易损坏、显示不准确、重复性差等缺点,又体现了显示直观、使用寿命长等优点,具有较强的实用价值。

    4 结束语当前的显示仪表除了数字显示仪表外,还有光柱显示仪表,并且许多仪表集数字仪表与模拟仪表于-体,可对温度、压力、液位、速度等测量信号进行数字量显示及相对模拟量显示光柱显示,使测量值的显示更为清晰直观,本设计介绍的数据采集器具有动态扫描模拟信号的特点,使用光柱显示,且不需要CPU参与控制,性能稳定,成本低廉,已成功应用于多个现场,具有-定的实用和价值。

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