水利工程中常常需要對某些重要區段配置壓力測量系統，比如管道進出口、直線段、局部轉折、局部轉彎處等，用來測定諸如管道沿程阻力系數和不同類型管道局部阻力系數等對工程影響較大的參數。水文測量中單點的測量基本上是沒有意義的，必須通過合理的陣列測量才能進行頻譜分析等工作。

多通道采集系統處理方案

根據系統要求，系統前端配置多路傳感器以探測液壓信號，實際系統中使用了32路。傳感器采回的信號為電流信號，在A/D變換前要變為電壓信號。A/D變換中采用的是Maxim生產的MAX197對32個通道進行循環采集。采集結果送入單片機中進行預處理，單片機選用Atmel公司的產品AT89C51，使用RS232通信接口與PC端連接并發送數據。PC端將收到的數據在數據處理軟件中進行結果處理、顯示。系統流程如圖1所示。

圖1 多通道采集系統流程圖

傳感器及過壓保護

傳感器采用AST4410型號的液壓傳感器，其性能參數如圖2所示。
長度：60mm
直徑：17mm
測量范圍：表壓 0
～40MPa 絕壓0～10kPa
精度等級：0.2級或 0.5級1～5Vdc
輸出信號：4～20mAdc
工作電壓：12～36Vdc
過程接口：1/4NPT螺紋
引線方式：電纜線
實際電路中供電電壓使用24V，這對于后級的A/D以及單片機電路來說是相當危險的值，因此需要設置高電壓保護電路。

圖2 高電壓保護電路

A/D采樣及MAX197應用

MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D轉換芯片。芯片采用單一電源＋5V供電，單次轉換時間僅為6μs，采樣速率可達100kSa/s。

MAX197的內部核心部分是一個采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個用來切換模擬輸入通道的多路復用器以及輸入信號調理和過壓保護電路。其內部還建有一個2.5V的能隙基準電壓源，管腳如圖3所示。

圖3 MAX197引腳定義視圖

MAX197既可以使用內部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。當使用內部參考源時，芯片內部的2.5V基準源經放大后向REF提供4.096V參考電平。這時應在REF與AGND之間接入一個4.7μF電容，在REFADJ與AGND之間接入一個0.01μF電容。當使用外部參考源時，接至REF的外部參考源必須能夠提供400μA的直流工作電流，且輸出電阻小于10Ω。如果參考源噪聲較大，應在REF端與模擬信號地之間接一個4.7μF電容。模擬量輸入通道擁有±16.5V的過電壓保護，即使在關斷狀態下，保護也有效。

通過將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇內部采集控制模式。在內部采集控制模式下，寫信號脈沖將開始一個由內部定時控制長度的采集間隔。在6個時鐘周期長度的采集間隔結束時，將啟動下一個轉換。

在內部采集控制模式下，MAX197的模擬信號輸入電路擁有5MHz的信號帶寬，當使用內部采集控制模式并使用外接2MHz時鐘時，可達到100kSa/s的通過速率。

通過將控制寄存器的ACQMOD位置1可選擇外部采集控制模式。采用外部采集控制模式是為了精確控制采樣孔徑或獨立控制采集和轉換時間。由用戶分別通過兩個寫信號脈沖控制采集間隔和開始轉換時間，第一個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置1，開始一個采集間隔。第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置0，結束采集間隔并開始轉換。然而，如果在第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置1，則將開始又一個采集間隔。

在第一個寫信號脈沖和第二個寫信號脈沖時，控制寄存器中的模擬通道選擇位必須置相同的值。電源關斷模式控制位可以置不同的值。

選用AT89C51單片機作為主處理器。通過P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉換結果數據。 用AT89C51單片機的P2.7作片選信號，則MAX197的高位地址為7FH。選擇MAX197為軟件設置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平。本文采用外部基準電壓，所以REFDJ接高電平，而REF則接外部輸入參考電壓。AT89C51單片機的P1.1腳用做判讀高、低位數據的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳可與AT89C51的INT0相連,以便實現中斷，讀取轉換結果。MAX197只有8個通道，一共要采32路壓力值，用8片4選1的模擬開關實現。

在電路中，AGND和DGND應相互獨立，各種電源與模擬地之間都用0.1mF電容來消除電源的紋波。

AX197的硬件電路設計如圖4所示。

圖4 MAX197連接原理圖

單片機數據采集程序設計如下：
void scan(uchar channel){ //channel為通道數
uchar conword,low8,high4,i; //定義變量
for(i=0;i<8;i
++){
if(i>0)channel=channel>>1;
if(channel&1){
conword="0x50"+i;
P12=1;
XBYTE[0xE000]=conword; //讀取數據
while(P32==1){}
//P12=0;
P13=0;
low8=XBYTE[0xE000]; //低位處理
P13=1;
high4=XBYTE[0xE000]&0x0F; //高位處理
SUMX[i]=high4*256+low8; //數據整合
}
}
}

根據系統的要求以及芯片的性能，選擇10ms為采樣的最小間隔。后面在PC端的程序可調整設定發送間隔，如果發送間隔大于采樣間隔，則將采樣得到的完整數據取均值后再發送，可以起到濾波的作用。

if(FREQ>=10){ //INTERVAL 設定采樣間隔為10ms
FREQ="0";
scanall();
NUM1++;
P16=0;
P17=0;
}
if(NUM1>=INTERVAL){ //interval 即為PC端發送的指令
for(i=0;i<32;i++){ //如果大于10ms則取平均值
if(SUM[i]!=0){
union{
ulong usum;
uchar ustr[4];
} nua;
uchar a;
transfer(i);
SUM[i]=SUM[i]/NUM1;
nua.usum=SUM[i];
a="nua".ustr[2];
transfer(a);
a="nua".ustr[3];
transfer(a);
SUM[i]=0;
}
&
nbsp; }
NUM1=0;
NUM2++;
}

串行通信部分

圖5 MAX232通信連接原理圖

采用MAX232芯片與PC機通信，電路連接如圖5所示。

總結

將系統進行實際測試，連續運行14小時正常。該系統已用于水庫模型測量實驗中，運行良好。將前端傳感器更換后，后級系統可以應用于多種場合，另外加入保護電路后更可用于惡劣條件下。系統前級提供4～20mA的電流模擬信號，后級即可工作并將信號輸出，通用性較強。