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

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)前端配置多路傳感器以探測(cè)液壓信號(hào)，實(shí)際系統(tǒng)中使用了32路。傳感器采回的信號(hào)為電流信號(hào)，在A/D變換前要變?yōu)殡妷盒盘?hào)。A/D變換中采用的是Maxim生產(chǎn)的MAX197對(duì)32個(gè)通道進(jìn)行循環(huán)采集。采集結(jié)果送入單片機(jī)中進(jìn)行預(yù)處理，單片機(jī)選用Atmel公司的產(chǎn)品AT89C51，使用RS232通信接口與PC端連接并發(fā)送數(shù)據(jù)。PC端將收到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行結(jié)果處理、顯示。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 多通道采集系統(tǒng)流程圖

傳感器及過壓保
傳感器采用AST4410型號(hào)的液壓傳感器，其性能參數(shù)如圖2所示。
長(zhǎng)度：60mm
直徑：17mm
測(cè)量范圍：表壓 0～40MPa 絕壓0～10kPa
精度等級(jí)：0.2級(jí)或 0.5級(jí)1～5Vdc
輸出信號(hào)：4～20mAdc
工作電壓：12～36Vdc
過程接口：1/4NPT螺紋
引線方式：電纜線
實(shí)際電路中供電電壓使用24V，這對(duì)于后級(jí)的A/D以及單片機(jī)電路來說是相當(dāng)危險(xiǎn)的值，因此需要設(shè)置高電壓保護(hù)電路。

圖2 高電壓保護(hù)電路

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

　　MAX197的內(nèi)部核心部分是一個(gè)采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個(gè)用來切換模擬輸入通道的多路復(fù)用器以及輸入信號(hào)調(diào)理和過壓保護(hù)電路。其內(nèi)部還建有一個(gè)2.5V的能隙基準(zhǔn)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(nèi)部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。當(dāng)使用內(nèi)部參考源時(shí)，芯片內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源經(jīng)放大后向REF提供4.096V參考電平。這時(shí)應(yīng)在REF與AGND之間接入一個(gè)4.7μF電容，在REFADJ與AGND之間接入一個(gè)0.01μF電容。當(dāng)使用外部參考源時(shí)，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(yīng)在REF端與模擬信號(hào)地之間接一個(gè)4.7μF電容。模擬量輸入通道擁有±16.5V的過電壓保護(hù)，即使在關(guān)斷狀態(tài)下，保護(hù)也有效。

　　通過將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇內(nèi)部采集控制模式。在內(nèi)部采集控制模式下，寫信號(hào)脈沖將開始一個(gè)由內(nèi)部定時(shí)控制長(zhǎng)度的采集間隔。在6個(gè)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度的采集間隔結(jié)束時(shí)，將啟動(dòng)下一個(gè)轉(zhuǎn)換。

在內(nèi)部采集控制模式下，MAX197的模擬信號(hào)輸入電路擁有5MHz的信號(hào)帶寬，當(dāng)使用內(nèi)部采集控制模式并使用外接2MHz時(shí)鐘時(shí)，可達(dá)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(dú)立控制采集和轉(zhuǎn)換時(shí)間。由用戶分別通過兩個(gè)寫信號(hào)脈沖控制采集間隔和開始轉(zhuǎn)換時(shí)間，第一個(gè)寫信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置1，開始一個(gè)采集間隔。第二個(gè)寫信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置0，結(jié)束采集間隔并開始轉(zhuǎn)換。然而，如果在第二個(gè)寫信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置1，則將開始又一個(gè)采集間隔。

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

　　選用AT89C51單片機(jī)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(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 用AT89C51單片機(jī)的P2.7作片選信號(hào)，則MAX197的高位地址為7FH。選擇MAX197為軟件設(shè)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(zhǔn)電壓，所以REFDJ接高電平，而REF則接外部輸入?yún)⒖茧妷骸T89C51單片機(jī)的P1.1腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX197只有8個(gè)通道，一共要采32路壓力值，用8片4選1的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

在電路中，AGND和DGND應(yīng)相互獨(dú)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(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 MAX197連接原理圖

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)如下：
void scan(uchar channel){ //channel為通道數(shù)
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(shù)據(jù)
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(shù)據(jù)整合
}
}
}

根據(jù)系統(tǒng)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(diào)整設(shè)定發(fā)送間隔，如果發(fā)送間隔大于采樣間隔，則將采樣得到的完整數(shù)據(jù)取均值后再發(fā)送，可以起到濾波的作用。

if(FREQ>=10){ //INTERVAL 設(shè)定采樣間隔為10ms
FREQ=0;
scanall();
NUM1++;
P16=0;
P17=0;
}
if(NUM1>=INTERVAL){ //interval 即為PC端發(fā)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;
}
}
NUM1=0;
NUM2++;
}

圖5 MAX232通信連接原理圖

　　采用MAX232芯片與PC機(jī)通信，電路連接如圖5所示。

　　將系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，連續(xù)運(yùn)行14小時(shí)正常。該系統(tǒng)已用于水庫模型測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)行良好。將前端傳感器更換后，后級(jí)系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合，另外加入保護(hù)電路后更可用于惡劣條件下。系統(tǒng)前級(jí)提供4～20mA的電流模擬信號(hào)，后級(jí)即可工作并將信號(hào)輸出，通用性較強(qiáng)。