模拟信号采集

单片机系统采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。现在，绝大多数传感器输出的信号都是模拟信号量，电流和电压。所以模拟信号的采集应用最为广泛，处理过程也相对复杂。相比于模拟信号，PWM信号和数字逻辑信号的采集比较直接，单片机能够直接处理这类信号，无需额外的器件进行信号转换。

这里的模拟信号是指电压和电流信号，对模拟信号的处理技术主要包括模拟量的选通、模拟量的放大、信号滤波、电流电压的转换、V/F转换、A/D转换等。

1．模拟通道选通

单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、滤波、采样/保持，A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D外，通常采用公共的采样／保持及A／D转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用)，利用多路模拟开关，可以方便实现共用。 在选择多路模拟开关时，需要考虑以下几点：

（1）通道数量

通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。

（2）泄漏电流

在设计电路时，泄漏电流越小越好。采集过程中，信号本身就非常微弱，如果信号源内阻很大，泄漏电流对精度的影响会非常大。

（3）切换速度

在选择模拟开关时，要综合考虑每路信号的采样速率、A/D的转换速率，因为它们决定了对模拟开关的切换速度的要求。

（4）开关电阻

理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。

（5）参数的漂移性及每路电阻的一致性

（6）器件的封装

常用的模拟开关有DIP和SO两种封装，可以根据实际需要选择。

2．信号滤波

从传感器或其它接收设备获得的电信号，由于传输过程中的各种噪声干扰，工作现场的电磁干扰，前段电路本身的影响，往往会有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号，致使测试无法正常进行。为了减少噪声信号对测控过程的影响，需采取滤波措施，滤除干扰噪声，提高系统的信噪比(S／N)。

过去常用模拟滤波电路实现滤波，模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波可分为有源滤波和无源滤波。设计有源滤波器，首先根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有：波待瓦兹（Butterworth)函数、切比雪夫(Chebyshev)函数，贝塞尔(Besel)函数等，然后计算电路参数，完成设计。

但是模拟滤波电路复杂，不仅增加了设计成本，而且还增加系统的功耗，降低了系统可靠性。随着电子技术的发展，现在很多的场合都应用数字滤波技术。数字滤波技术发展非常迅速，

现在的手机、PDA等智能设备，大多采用数字滤波技术。它作为软件无线电的一个处理单元，有非常广阔的发展前景。但是，单片机的处理能力有限，只能完成比较简单的数字滤波。 在单片机系统中，首先在设计硬件是对信号采取抗干扰措施，然后在设计软件时，对采集到的数据进行消除干扰的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下面介绍的几种工控中常用的数字滤波技术。

（1）死区处理

从工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动，或者说有频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应用工控板卡的场合，此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理，把波动的值进行死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉波动项。

（2）算术平均值法

公式为YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样，这种方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。

（3）中值滤波法

这种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用时，排序的周期的数量要选择适当，如果选择过小，可能起不到去除干扰的作用，选择的数量过大，会造成采样数据的时延过大，造成系统性能变差。

（4）低通滤波法

公式为YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截止频率为f=K/2πT。这种滤波方式相当于使采集到的数据通过一次低通滤波器。来自现场的信号往往是4~20mA信号，它的变化一般比较缓慢，而干扰一般带有突发性的特点，变化频率较高，而低通滤波器就可以滤除这种干扰，这就是低通滤波的原理。实际使用时，根据信号的带宽，合理选择Q值。

（5）滑动滤波法

滑动滤波法是由一阶低通滤波法推广而来的。现场信号一般都是平滑的，不会出现突变，如果接收到的信号有突变，那么很可能就是干扰。滑动滤波法就是基于这个原理，把所有的突变都视为干扰，并且通过平滑去掉干扰。应用这种方法，只能处理平滑信号，并且不同的场合，数据处理过程也要做相应调整。滑动滤波法的公式是：Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2，其中Q1 + Q2+ Q3 =1且Q1 >Q2> Q3。

在实际使用时，常常需要结合多种方法，以其它滤波的效果。比如在中值滤波法中，加入平均值滤波，借以提高滤波的性能。

3．电流电压的转换

电压信号可以经由A/D转换器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由Ａ/Ｄ 转换器转换。在应用中，先将电流转变成电压信号，然后进行转换。电流／电压转换在工业控制中应用非常广泛。

电流／电压转换最简单的方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。A/D器件只能转换一定范围的电压信号，所以在电流／电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多，还必须在后端加入放大器进行二次处理。经过多次处理，会损失测量的精度。

现在有很多电流／电压转换芯片，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量。

4．电压频率的转换

频率接口有以下特点：

(1)接口简单、占用硬件资源少。频率信号通过任一根I／O口线或作为中断源及计数时钟输入系统。

(2)抗干扰性能好。V／F转换本身是一个积分过程，且用V／F转换器实现A／D转换，就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，因而有较强的抗干扰能力。另外可采用光电耦合连接V／F转换器与单片机之间的通道，实现隔离。

(3)便于远距离传输。可通过调制进行无线传输或光传输。

由于以上这些特点，V／F转换器适用于一些非快速而需进行远距离信号传输的A／D转换过程。利用V／F变换，还可以减化电路、降低成本、提高性价比。

5．A/D转换

A/D转换是指将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A/D转换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现A/D转换器的身影，可以说，A/D转换器已经成为人类实现数字化的先锋。自1973年第一只集成A/D转换器问世至今，A/D、D/A转换器在加工工艺、精度、采样速率上都有长足发展，现在的A/D转换器的精度可达26位，采样速度可达1GSPS，今后的A/D转换器将向超高速、超高精度、集成化、单片化发展。不管怎么发展，A/D转换的原理和作用都是不变的。在下一节，将着重讨论A/D转换技术。

一般情况下，为了提高集成度，除用集成度高、尺寸小的电子元器件外，各路模拟信号应尽量共享电路，即用通道切换方式进行采集。共享的通道越多，需要的元器件越少，但采集帧频越慢，因此在共享通道数与采集速度之间需要综合考虑。将信号分成多组，例如，每组使用1片1MSPS、16bit的A/D芯片，负责采集128路模拟信号，各组A/D同时采集。当模拟通道增加时，只需增加组数，由于组之间是并行操作，因此增加组数并不会降低采集速度。通道切换分成两级，第一级为16选1，第二级为8选1，因此每组可对128路信号进行切换。通过MCU选中的单路信号进行可编程增益放大、滤波，然后进入A/D进行采集