集成电路后端设计流程范文第1篇

【关键词】机电设备；监测终端；设计

【分类号】：TG333.7

引言

随着国民经济的飞速发展以及生产自动化水平的快速提高，机电设备的构造也渐趋复杂，因此对其维护的要求也越来越高。机电设备在很多复杂的大型装备中处于核心地位，结构复杂，若机电设备的故障得不到及时的发现与维护，整个大型装备的正常运行将会受到影响，同时还会造成巨大的经济损失。因此，开发可靠的机电设备监测诊断系统来保证其正常的运行具有十分现实的意义。

一、机电设备监测终端的工作原理

监测终端通常由微处理器、通信接口、人机接口、数据采集、控制执行这几个模块组成。下面笔者分别介绍了每部分的作用。

1、微处理器主要是协调好各模块之间的工作，它主要完成以下四个方面的任务：（1）将数据采集模块采集的数据进行存储和显示；（2）通过通信模块将采集的数据传输给监测系统主控制机或其它监测终端；（3）根据数据采集模块采集的数据产生控制命令，交由控制执行模块完成一定的动作执行；（4）根据监测系统主控制端通过远程通信接口传来的控制命令，执行相应的操作。

2、通信接口：包括远程通信和本地通信两个部分。远程通信模块主要用于监测终端与监测系统主控制端之间的通信，可以选择本地局域网、GPRS/CDMA无线公网、电话拨号上网等通信方式进行远程通信。本地通信模块主要用于监测终端与信号采集模切监测终端之间进行通信，可选择短距离无线通信、低压载波通信、RS485、RS232等通信方式。

3、人机接口模块：主要负责监测终端的数据显示与查询。

4、数据采集模块：该模块完成对机电设备热效应、环境、机械、电能等方面的运行参数的实时采集，主要采集机电设备运行的温度（热效应）、湿度（环境）、振动（机械）、噪声（机械）、三相供电（电能）等参数.它主要就是利用传感器将电量、物理量、化学量，转换成适合于数据采集装置处理的电信号，然后对传感器输出信号进行去噪、选取、滤波、模/数转换等处理。

5、控制执行模块：该模块负责继电器开关状态的控制与执行。

二、机电设备监测终端总体方案

根据监测终端的设计需求，其总体方案设计如图1：微处理器核心板，通信接口、人机接口、控制执行模块，信号采集模块这三部分分别设计成为独立的单元，这样将强电信号和弱电信号分别在不同的电路板上进行处理，可提高整个系统的抗干扰能力。

1、监测终端的底板：由电源管理、人机接口、本地通信、远程通信、动作执行等模块组成，它和以微处理器为中心的核心板共同构成监测终端的主控模块。

2、微处理器实时监测：该部分检测机电设备的运行状况，主要进行机电设备运行参数的采集、处理、存储以及显示，若发现机电设备工作异常，及时向监测系统主控制端告警；人机接口模块实现机电设备运行参数的显示以及查询功能；电源管理模块负责主控模块电源的提供与切换工作；本地通信包括SPI， RS232， RS485、红外、Zigbee这几种通信方式；远程通信模块选择CDMA/GPRS无线公网方式。

3、信号采集模块：主要分为电能、温度、湿度、噪声、振动信号采集这几个部分。电能计量模块负责三相电信号的采样以及相关电参数的计量；温度监测模块由温度传感器完成对温度参数的监测；湿度、噪声、振动监测模块将购买已经成熟的测量仪器完成监测。信号采集模块通过本地通信接口与主控模块进行通信；电能计量模块通过SPI接口与主控模块进行通信；温度、湿度、噪声、振动监测模块通过RS232接口与主控模块进行通信。

三、机电设备监洲终端主控模块设计

监测终端的主控模块由核心板和底板两部分组成，是监测终端的核心。本主控模块主要负责从信号采集模块获取机电设备的运行参数，然后对获得的数据进行相关分析与处理，显示获取的机电设备的运行参数，定时保存历史参数数据，并通过远程通信接口将采集数据上传给监测系统主控制端。

四、信号调理电路设计

信号调理电路分为电压调理和电流调理两部分，其主要功能为将220V三相四线交流电调理为ATT7022C参数计量模块所允许的信号输入范围：电压输入通道在电压有效值为0.01 V～1V的范围内时，芯片测量的线性误差小于0.5%。输入电压最佳选择范围为0.2 V～0.6V （ATT7022C内部放大后的电压值），一般当电压采样信号有效值为0.1V时，内部电压通道的放大倍数会设置为4；电流输入通道在电流有效值为2mV～1V的范围内时，芯片测量的线性误差也小于0.5%，这个时候的电能线性误差将会小于0.1%，满足监测终端测量的精度要求。

1、电压调理电路设计

电压采样常用的方法有电阻分压、电压互感器以及电流互感器输入。

（l）电阻分压方法。电阻分压方法就是利用电阻网络分压实现强弱电压的转换，这种方法虽然电路比较简单，但是电路中的分压电阻要求大功率、高精度且低温漂，而且因为电流较大，如果电阻散热问题处理的不好的话会使测量的精度下降。

（2）电压互感器方法。电压互感器方法就是利用电压互感器，按照一定的比例将高电压转换为相对较低的电压，副边电压与原边输入电压无关，一般均规定为100V。如果是特定的比例关系的电压互感器一般都需要定制，若采用此种方法成本较高。

（3）电流互感器输入方法。电流互感器就是根据电磁感应原理将原边输入电流按照一定的比例关系转换为小电流在副边输出.电流互感器输入方法实际上就是将电压转换为电流，再通过比例系数为1：1的电流互感器，之后再将电流转换为电压，从而实现强电与弱电之间的转换。

2、电流调理电路设计

电流调理一般有两种方法：电阻分流、电流互感器。

（1）电阻分流方法。电阻分流方法就是利用电阻网络分流实现电流信号与电压信号的转换。电阻分流方法虽然电路比较简单，但是因为电流较大，电路中的分流电阻要求大功率、高精度且低温漂，而且如果电阻敬热问题处理的不好的话会使测量的精度下降。

（2）电流互感器方法。电流互感器方法就是利用电流互感器实现强弱电流的变换，并且实现电气隔离。

结语

以上本文粗略探讨了机电设备监测终端的设计，由于篇幅和水平有限，还有许多内容没有涉及到，比如：机电设备监测终端软件整体设计、温度检测模块设计等，在今后的工作笔者将不断努力完善机电设备监测终端的设计方面的内容。

参考文献：

[1]李强.电力设备状态监测和故障诊断技术发展趋势[J].电力信息化，2009，7（2）：12-14

集成电路后端设计流程范文第2篇

关键词：工程需求；集成电路设计；实践；验证

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）44-0089-02

集成电路设计是学科交叉特性显著的一个学科，且其发展日新月异，技术更新非常快，而其主要的更新点体现在工艺水平、设计思想和设计手段上。例如，在设计SOC等大规模集成电路时，设计者首先要全方位地把握系统的主体框架，另外还要注重各个环节中的细节，有效利用EDA软件来精确地实现设计并验证其正确性。目前大多数高校开设的集成电路设计课程融入了多媒体教学，但多媒体教学多局限于PPT课件教学，虽然在教学内容上与过去的板书教学相比得到了很大的扩充，但从教学体系上说对于工程化设计流程的介绍缺乏连贯性、完整性，各个知识点的介绍相对来说较为孤立，学生对所学知识的理解无法融会贯通，对工程化设计的理解停留在概念的层面上。目前课程安排中普遍采用理论教学为主，存在实践环节过少、实践环节不成完备体系等问题。学生工程实践能力不能得到有效提升，用人单位需要花大量的时间和人力对应届学生进行培训；学生容易产生挫折情绪，不能快速适应岗位需求。本教改通过对目前国内急需集成电路设计人才的现状的思考，对集成电路设计课程的教学进行改革，实施以工程需求为导向，以工程界典型数字集成电路设计和验证流程为主线的闭环式教学。在国家急需系统级集成电路设计实用型工程人才的指导思想下，在工科院校要培养能为社会所用工程人才的办学宗旨下，以开发学生潜力、提高学生自主学习积极性为目的，结合用人单位的用人需求，我院集成电路设计课程尝试闭环教育，即课程的章节设置参照工程界数字集成电路系统的典型设计流程，知识内容涵盖从设计到流片生产甚至测试的每一个环节，而每一个重要环节都有工程实验与之相对应，形成完备的闭环知识体系。本教改项目闭环教育可分为理论教育环节和实验教育环节。

一、理论教育环节

闭环教育中的理论教育以工程界大型数字集成电路设计的典型流程为教学切入点，然后以该流程为主线介绍各个阶段涉及的理论知识和可供使用的EDA软件，每次进入下一设计阶段的讲解前，都会重新链接至流程图，见图1所示。反复出现的设计流程图，一方面可以加深学生对设计流程的印象；另一方面针对当前内容在流程中出现的位置，突出当前设计阶段与系统设计的整体关联，加强学生对各个设计阶段的设计目的、设计方法、EDA软件中参数设定偏重点的理解。这种教育方法区别于传统的单纯的由点及面的教育方法，避免出现只见树木不见森林的情况，能够在注重细节的同时加强整体观念。

二、实践教育环节

实践教育环节主要是指与理论教育相配套结合的系列实验。针对每个设计阶段都安排相应的较为全面的实验，与该阶段的理论知识形成闭环。而且，所有的实验基本可按照从系统设计开始到流片、测试的完整设计流程串接起来。

图1 大型数字集成电路设计的典型流程

实验指导书撰写了前端设计内容，在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段，加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验，目的是学习良好的系统全局观，掌握过硬的代码编写能力，并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段；撰写了后端设计内容，采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线，介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用，着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题，如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑。利用版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证，介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系，重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解。Verilog仿真器进行版图后仿真实验，强调版图寄生参数对系统功能、时序的影响，后仿真时序文件反标的含义；明确后仿真对于保证设计正确性的意义；培养认真负责的验证思想。

实践教育环节大致分为前端设计阶段、后端设计阶段、测试阶段。

1.前端设计阶段。在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段，加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验，目的是学习良好的系统全局观，掌握过硬的代码编写能力，并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段。

2.后端设计阶段。针对数字集成电路的特点，安排面向MPW流片的实验，介绍将电路转化为高可靠性版图的主要步骤。该实验分三个阶段：①采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线，介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用，着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题，如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑；②版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证，介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系，重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解；③Verilog仿真器进行版图后仿真实验，强调版图寄生参数对系统功能和时序的影响、后仿真时序文件反标的含义，明确后仿真对于保证设计正确性的意义，培养认真负责的验证思想。

集成电路后端设计流程范文第3篇

关键词：物联网技术；铁路；机房设备；状态；环境监测；系统

一、铁路机房设备状态和环境监测现状

随着标准接口构建的实现，多元化功能的环境监控得到了较好的开发，现在铁路机房设备状态和环境监测能够采用IP技术、EI技术等，监测信息可以通过多种技术作为载体进行传递，在很多方面已经实现实时监控，空调门锁智能控制、视频监控、语言控制等功能已经得到广泛使用。而物联网技术的出现， 为铁路机房设备状态和环境监测提供了又一次进步的阶梯，可进一步提高铁路机房设备状态和环境监测智能化水平。

二、基于物联网技术的铁路机房设备状态和环境监测系统方案总设计

基于物联网技术的铁路机房设备状态和环境监测方案主要由后台应用服务和前端数据采集终端两大部分组成。

后台服务程序的主要作用是对采集终端采集到的数据进行全面分析和处理，将得到的数据制成图表，并将图表显示在监测终端。若采集终端采集到的湿度、温度数据超过规定数值或者显示的电压、电流不正常，那么采集终端会将数据通过警报方式发送到数据终端，并由后台服务程序向系统管理人员发送报警信息，实现危险报警。

采集终端主要通过温度、湿度、电流电压传感器将机房内所监测到的数据参数通过物联网传输到无线自组网传输单元，并最终到达网络总线上，将采集到的数据传到对应服务器上进行显示和处理。

三、基于物联网技术的铁路机房设备状态和环境监测系统具体设计

1.硬件系统设计

根据铁路机房设备状态和环境监测系统需求，对整个系统进行硬件设计，通常情况下，整个系统可分为四个模块，分别为数据传输模块、电源管理模块、单片机核心模块、前端处理模块。其中电源管理模块一般有两种情况：其一是使用采集器电源供电方式；其二是使用电源接入段采用分离整流方式供电，这两种方式均可以实现系统电能供应。前端处理模块主要包含有数据感知单元、电流采集、温度采集等模块。单片机核心模块主要采用的是嵌入式微处理器，该处理器作为一个时钟周期指令的方式，可大大加快单片机的处理速度，还可在一定程度上降低系统设计难度，为程序数据存储提供较为有力的保证。数据传输模块主要包含两个部分：其一是以无线为基础的无线数据传输；其二是以POE技术为基础的网络数据传输。这两种方式在系统使用过程中可以实现有效切换，保证数据传输的可靠、稳定。

2.软件系统设计

铁路机房设备状态和环境监测软件系统主要包含串口指令发送和接受、电流读取和温湿度读取、系统初始化等软件功能。系统初始化主要包括看门狗定时器初始化、温湿度数据读取端口初始化、A/D 转换初始化、定时器初始化以及串口初始化等。当系统完成了初始化之后就会处于休闲模式，当系统监测到有异常数据时，可以使系统重新进入工作状态，并根据实际情况完成对应的操作。

3.系统测试

原型设备联机调试：在硬件设备以及配套驱动完成设计和设备完成组装之后，系统通过串口与上位机进行联合调试，上位机超级终端发送指令，分别通过无线和网络的方式把测试信息传送到采集终端，采集终端获得测试指令之后，返回对应的温湿度和电流值。系统联机测试完成之后，会对现场安装的所有设备进行联合测试，并根据测试结果安排系统试运行，将得到的试运行结果和机房安全环境数据进行对比。

将物联网技术应用到铁路机房设备检测和环境监测系统中可以使技术人员实时地掌握铁路机房设备的运行状态和环境湿度，并将监测到的数据通过网络传输到安全监测系统中，使铁路机房工作人员更好掌握机房运行情况，为铁路机房安全运行打下良好基础。

参考文献：

集成电路后端设计流程范文第4篇

[关键词]规约转换；07规约；97规约；电能抄表

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2015.02.037

1 引 言

目前，用电信息采集系统各类抄表设备已经得到广泛的推广应用，我国要求实现用电信息采集全覆盖全采集。随着越来越多的设备投运，现场运行的用电信息采集终端种类繁多，通信规约不统一的问题在一定程度上限制了用电信息采集工作。为了保证用电信息采集全覆盖全采集的实现，传统的方法是对原有设备进行大量更换，而这种方法会造成资源的大量浪费。因此，针对传统用电信息采集系统改造的方法一直被广泛研究。

本文提出了一种基于规约转换方式的用电信息采集系统改造方法，并以此为基础设计了智能电力规约转换器。该智能电力规约转换器能够成功解决DL645―1997规约用电信息采集终端无法抄收DL645―2007规约计量表的问题。无须更改用电信息采集终端任何的软、硬件设计即可实现规约转换，可用于辅助用电信息采集终端完成抄表、购电等重要功能。

2 设计原理

智能规约转换器要求能够进行不同规约设备之间的数据接入和接出，使DL645-1997负控终端能够通过原有规约控制DL645-2007电能表完成实时抄表工作。

智能规约转换器的设计原理如图1所示，规约转换器通过内部485接口1与负控终端485接口连接，当规约转换器接收到负控终端以DL645-1997规约格式发送的抄表命令后，自动判断抄收数据类型，通过内部查表寻找与之对应的DL645-2007规约表数据格式并自动转换通信速率、重组报文，通过内部485接口2发送给DL645-2007规约表。

规约转换器通过485接口2接收到DL645―2007规约电能表返回的数据后会判断数据的合法性并重组报文，将正确的数据以DL645―1997规约格式通过485接口1反馈给负控终端，自此完成DL645―1997到DL645―2007规约转换，实现用电信息的采集。

3 硬件结构及功能

规约转换器主要由CPU、电源模块、485通信单元组成，其中电源模块与CPU及其内部存储空间组成了基本的处理器工作平台，在此基础上进行485通信功能扩展。系统硬件结构如图2所示。

CPU是对不同规约之间进行相互转换和数据流处理的核心部分，设计采用W77E516作为系统工作的微控制器。W77E516的功能是完成DL645―1997与DL645―2007规约之间的相互转换，同时根据需求以特定格式接收或发送电能数据信息。W77E516具有比标准8051更快的指令执行速度，按照指令的类型进行比较，W77E516的指令执行速度是标准8051的1.5～3倍。而且在相同的吞吐量和低频时钟下，具有较低的电源消耗。由于采用全静态CMOS设计，W77E516能够在低时钟频率下运行。W77E516内含64KB具有ISP功能，可区域寻址的Flash EPROM，用于存储装载程序的4KB辅助Flash EPROM，工作电压为4.5V～5.5V，具有 1KB片上外部数据存储器，能够满足规约转换器对CPU的需求。

通信模块完成规约转换器与负控终端和电能表之间的485通信功能。负控终端通过485通信接口向CPU发送和接收DL645-1997规约格式的指令和数据，而CPU也通过485通信接口将经规约转换后的数据以DL645-2007规约格式发送到电能表，并接受电能表返回的数据，以此来完成整个控制链路和数据链路的通信功能。

考虑到工业现场中恶劣的工作环境和诸多大型设备对规约转换器的干扰，设计采用MAX813看门狗电路来处理由于CPU工作异常等故障现象所引起的系统非正常运行现象。当CPU程序“跑飞”或进入“死循环”时，看门狗电路产生复位信号，引导CPU程序重新正常运行。

4 软件设计

CPU通过内部程序控制电路正常工作，CPU程序设计分为初始化程序、驱动程序和主控程序三部分。转换器上电后首先进行程序的初始化，初始化结束后进入主控程序控制规约转换器工作。

4.1 初始化程序设计

初始化程序部分用于完成规约转换器的初始上电后初始化工作，对电路各硬件进行初始化配置，程序设计流程如图3所示。

4.2 主控程序设计

主控程序用于进行规约转换器的整体工作控制，保证转换器的控制流正常工作，主控程序设计流程如图4所示。

5 结 论

本文介绍了一种基于W77E516单片机的智能电力规约转换器的设计方法，详细论述了设计的主要硬件电路构成和内部软件设计流程。研究和实践表明，本文所设计智能电力规约转换器能够解决DL645―2007通信规约计量表无法被DL645―1997用电信息采集终端抄收的问题。采用该智能电力规约转换器无须更改用电信息采集终端的任何软、硬件即可实现规约转换，使得不具备DL645―2007计量表通信规约的DL645―1997用电信息采集终端得以继续使用，降低了网络改造的人力物力投入，具有实际意义。

参考文献：

集成电路后端设计流程范文第5篇

关键词：数据采集；冷端补偿；数据通讯;热电偶测量

中图分类号：TP274文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1911004

Temperature Data Acquisition Instrument Based on the Single Chip Computer

WU Lin,YANG Lin,ZHAO Guifeng

(Dalian Polytechnic University,Dalian,116034,China)

Abstract：The design process of multi-channel data acquisition instrument based on the single chip computer is introduced.Using AT89C52 single chip computer as CPU,the interface circuit of signal mediation to interface with many sensors are designed,and a method based on software and hardware to solve the problems of cold junction compensation of thermocouple in the course of measurement.According to analyze the fatalness of the anti-jamming to the system,"watching dog timer"and RS 485 communication interface in order to communicate with PC are designed.At the same time,a part of corresponding software,series communication and A/D convert programmer are designed too.

Keywords：data acquisition;cold junction compensation;data communication;thermocouple measurement

在炼钢过程中，测量钢水的检测环境极为恶劣，尤其是转炉，钢水温度达1 500~1 700 ℃，有时甚至超过1 750 ℃，而且测量过程中钢水液面激烈搅动，强烈冲刷传感器，因此，在类似于钢水温度测量的特种温度测量中，传感器一般都有其特殊要求。现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通信的通信规程，是互相操作以及数据共享的公共协议。基于这一应用背景，本采集器支持现场总线，采用RS 485标准与上位机通讯，大大拓展了本采集器的应用范围。

1 温度传感器的选用

温度检测有许多方法，但本采集器应用于高温测量，只能处理由温度信号转变来的电压信号，因此采用热电偶来作为温度检测的方法。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前己经在许多场合应用。

本采集器本着通用性出发，设计时考虑到应适合多种热电偶测量，这样能大大提高采集器使用范围，用户可根据不同的测温范围选择相应的热电偶。本采集器采用5种热电偶，分别是：铂铑／铂热电偶，镍铬／考铜热电偶(双铂锗)热电偶，铜/康铜热电偶，镍铬-镍硅热电偶。用户可以根据实际测量温度范围选择合适的热电偶，以便满足使用要求又不浪费。

在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温线路的机械与物理性能，同时降低测量线路的成本。

在一定温度范围内，补偿导线热电性能与热电偶基本一致。它的作用只是把参考端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参考端不为零度的影响，因此必须进行冷端补偿。热电偶冷端(参考端)通常放在室内为室温，则需要对查表得到的温度进行冷端补偿。

传统的方法，通常采用冷端补偿器来进行冷端补偿。每支热电偶必须配上相应的冷端补偿器和补偿导线，由于加入的补偿导线的差异会带入一定的误差，而且接线较多、安装不便。因此采用辅助测温元件微型计算机补偿法。该方法的基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件安装一个测温元件，用以检测传感器所在环境的温度。测温元件的输出经放大及A/D转换送至计算机进行处理。如图1所示。

我们用的测温元件是金属膜电阻，它的测量精度高，价格便宜。金属膜电阻可以用二线制、三线制、四线制接法。工业用的一般是三线制，消除导线电阻的测量误差。金属膜电阻不需用补偿导线传输信号，用普通电缆即可传输信号,这样可以降低成本。三线制接法如图2所示。

在此电路中，铜线绕制的热电阻Cu50起冷端补偿作用。当热电偶的热电势EAB随冷端温度的变化而变化时，铜电阻Cu50两端的电压也随之反方向变化，R3的阻值根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值，如Pt100测量时取100 ℃，Cu50测量时取50 ℃。这样才能保证参比端温度为0 ℃所对应的电压输出也是0。A和B两点的电位差EAB是热电偶参比端温度为T0时所对应的校正值。一般R1＝R2＞＞R3。

2 硬件电路设计

2.1 系统总体设计

采集器总体框架如图3所示。

整个采集器除感温元件外，主要由放大电路、数据转换电路、单片机以及信号调理电路组成。感温元件检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于温度测量元件的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能被准确测量。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理及进行相应的操作。

2.2 信号输入部分设计

2.2.1 模拟信号输入部分总体设计

热电偶出来的是微弱的模拟电压信号，首先经过滤波电路消除干扰，然后经过放大器将微弱的电信号放大为与A/D所匹配的输入电压。由于单片机只能处理数字信号，故需对这些信号进行A/D转换，变为数字信号。该部分主要由滤波电路，一片集成运算放大器OP07和1片8选1的模拟开CD4051组成增益可调的放大电路，输入信号和冷端补偿信号通过另一片8选1的模拟开关CD4051引入，采用一片ICL7135将输入的模拟信号转变为数字信号送入数据存储器。输入部分电路如图4所示。

2.2.2 芯片选择与原理图设计

（1） 滤波电路

为使信号在进入采集电路或接口电路之前就消除或减弱这种干扰，可在信号线上加上滤波器。电阻R和电容C组成R-C滤波器。在信号线间采用R-C法滤波，会对信号造成一定损失，对于特别微弱信号，当采用此法抑制干扰时，应当注意这一点［1］。

（2） 模拟多路开关

在该设计中，热电偶的冷端和采集器处于同一温度下，为了实现热电偶的冷端补偿，就必须测量出所处环境的温度，在此采用金属膜电阻作为环境温度的检测元件，其输出同样是模拟信号，因此也必须经过A/D转换器进行转换，此外，该采集器可以测试多个点，相应有多路信号，为了降低成本，多路输出的电压信号共用一个A/D转换器，因此就要用到多路转换开关，实现多路信号的选择。选用的CD4051是单片集成的CMOS8通道模拟多路开关，它有3个输入端A,B,C和一个禁止端INH。从A,B,C输入的信号用来选择8个通道中的一个。INH=1时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH=0时，通道接通，允许模拟量输入。

（3） 放大器

热电偶的输出电压经过滤波和多路选择开关后，将输出电压送给放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。本文选用低温漂高精度集成运算放大器OP07，精度可达到±0．1 ℃，满足测量精度的要求。它输入阻抗高,共模抑制比大，将传感器送来的微弱直流电压信号放大后输出给ILC7135。由于本采集器可测量多路信号，每路信号大小不同，但又共用一个A/D转换器，因此每路信号的增益不同，为此利用多路模拟开关CD4051和运放OP07来组成一个多增益的放大器，使它们将各自输出的微弱电压信号经过不同放大倍数的放大后都能达到A/D转换器的满量程。

（4） A/D转换器的选择

鉴于温度信号的特点，选用双积分式A/D转换器ICL7135。ICL7135的时钟信号源于AT89C52的T2计数器，同时接至AT89C52的T1，利用T1计数器记录BUSY为高电平时的时钟周期数。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1，其意图有两个:第一,控制T1计数。当T1计数器工作于方式1时，通过软件设置GATE为“1”时，T1计数受INT1控制，当INT1（即BUSY）为高电平时，T1可对来自外部的脉冲（即ICL7135的时钟周期）计数，INT1为低电平时，停止计数；第二，当BUSY信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中断形式通知CPU，读出A/D转换后的数字码。

（5） 看门狗电路

根据设计的要求这里选择美国公司的X5045芯片Watchdog。该芯片集Watchdog、电压监控和E2PROM三种功能为一体，只占用单片机4个I/O口，可以起到可编程看门狗，监控电源复位，断电后保存数据等功能。这种组合降低了系统成本并减少了对电路空间的要求。本文采用的X5045的看门狗定时器对单片机提供独立的保护系统。若单片机没有访问X5045（即表示系统出现故障），看门狗将输出RESET信号，将其RESET输出端置为高电平。延时约200 ms后，RESET端由高电平变为低电平，将单片机复位。

电压监控上电时，电源电压高于4.5 V后，经约200 ms的稳定时间，RESET信号由高电平变为低电平；掉电时，电源电压低于4.5 V时，RESET信号立即变为高电平直至电源电压恢复稳定为止。这样就保证了单片机可靠复位以及电源电压不稳定时，单片机不会出现死机和错误动作。

（6） 通讯部分设计

本数据采集器是支持现场总线的，它和主机之间就应该能够进行相互通讯，互传数据信息，这种信息的交换和传输通过通信接口和数据总线来进行。基于本设计的实际应用性，我选择RS 485接口。RS 485接口芯片采用MAX487E，这种芯片功耗低，采用一对双绞线实现半双工RS 485网络的连接，数据传输速率可达10 Mb/s，通信距离可达1 200 m［2］。

（7） 电源模块设计

本设计中需要的电源有模拟电源±5 V，数字电源+5 V。由于工业现场提供的是24 V直流电，这就需要实现DC-DC之间的变换。本文选用常用的DC-DC转换器MC34063,它是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5 A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

模拟电源和数字电源混合供电，彼此之间会产生干扰，供电电源的不稳定会严重影响系统的精度。为了减少干扰的影响，模拟电源和数字电源应采取隔离措施，分别供电。在此采用隔离变压器将系统中的数字5 V和模拟5 V隔开。单片机系统应用各种稳压器以提供系统所需的各种电源。78、79系列集成稳压器是串联调整稳压器。

3 软件设计

3.1 采集器软件总体设计

整个温度检测过程是在程序控制下工作的，该采集器的软件全部采用汇编语言编写，以提高采集器的快速性和实时性。其设计方法与硬件设计相对应，同样采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、编制和调试，最后通过主程序和中断处理程序将各程序模块连接起来。这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。整个软件系统主要有以下几部分:主程序、数据采集、数据变换处理、串行通讯及系统监控等程序。

3.2 主程序设计

采集器的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序，即主要实现各程序模块的连接。本采集器软件设计串行通讯程序级别最高，单片机首先检测上位机是否有命令，如果有则按其命令要求执行。如果没有则执行别的任务。程序框图如图5所示。

3.3 数据采集子程序设计

该部分主要实现将来自热电偶传感器的模拟信号转换为数字信号的功能。由电路连接图可知，ICL7135转换器工作于中断方式。当ICL7135转换完毕时，BUSY由高电平变为低电平，通过INT0而向AT89C52请求中断。该程序主要有A/D转换器启动程序、中断等待转换结束、读取转换结果并存入RAM等几步。程序框图如图6所示。

3.4 串行通讯程序设计

AT89系列单片机内部有一个功能很强的全双工串行口，该口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可以由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。接收、发送均可工作在查询方式和中断方式，使用十分灵活。AT89系列单片机内部的串行口，有2个物理上独立的接收、发送缓冲器SUBF，可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入数据不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，两个缓冲器占用同一地址(99H)。

为了确保通讯成功，通讯双方必须在软件上有一系列的约定，即软件协议。本程序约定如下：

(1) 波特率设置：T1方式2工作，波特率9 600，计数常数FAH,晶振11.059 2 MHz,SMOD=1。

(2) 串行口初始化：方式1，允许接收。

(3) 中断服务程序入口：0023H。

为了保证通讯的可靠性，通常波特率相对误差不大于2.5%,这一点在设置波特率时要注意［3］。

程序流程图如图7所示。

参考文献

［1］刘君华.现代检测技术与测试系统设计［M］.西安：西安交通大学出版社，1999.

［2］MAX481E/MAX483E/MAX485E/MAX487E-MAX491E/MAX1487E,±15KV ESD-Protected，Slew-Rate-Limited，low-Power，RS 485/RS 422 Transceivers，Maxim Integrated Products.

［3］张毅刚,彭喜源，潭晓昀，等.MCS-51单片机应用设计［M］.2版．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1997.

［4］高光天.传感器与信号调理器件应用技术［M］.北京：科学出版社，2002.

［5］何道清.传感器与传感器技术［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［7］杨振江.A/D、D/A转换器接口技术与实用线路［M］.西安：西安电子科技大学出版社.1996.