单片机程控的信号变换

D0I:10.13374/j.is8n1001053x.1986.01.028 北京钢铁学院学报 1986年12月 Journal of Beijing University No,4 第4期 of Iron and Steel Technology Dec,1986 单片机程控的信号变换 王为人 (砂化系) 摘 要 设计了一种单片计算机程控的信号变换电路。它实现了八位D转换器的十一位 变换，等点自动补偿，最程自动切换，{及线牲化等功能。电鉴于光电辐射测温仪 的信号处理.其量程范围：1000~1830℃，变换电路的涮最误差≤1℃士1个字， (不包括光电转换元件的误差》。讨论了硝号变换系统的工作原理及软件程序属图，分 析了各部分的误差及其影响，粉出了试验结果。结朵表明，以软件和硬件的结合，数 字电路和模拟电路的结合构成的变换系统，具有更大的灵祈州，并简化了特粉。 关键词：线性化，温度测量，单片计算机。 Signal Transforming Programmed by a Single-chip Microcomputer Wang Weiren Abstract This paper proposes a signal transforming system of pyrometre,which program-controlled by 8039,a single-chip microcomputer. This system is designed to complet higher bit analog-to-digital conversion using a 8-bit A/D converter,automatic compensating of zero shift,automatic changing of temperature range,as well as linearity of input voltage. This system covers the temperature range from 1000c to 1800C,totalled 800C.The error of the system is less than 1 C.The circuit of signal transforming and the block diagram of program is given out.There is not any parameter of linearity in the program.It can meet the demand of all kind of input functions.Then,the errors of all parts of the system and its 1985一09一29收到 53

年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 第 期 ︷一 梦 嗯巨 单 片 机 程 控 的 信 号 变 换 王 为人 自动 化 系 摘 要 理恤 设计了一种单片计算机程控的信 号变换 电路 。 它实现了八位 转换器 的十一 位 变换 ， 零点 自动补偿 ， 量程 自动切换 ， 以及 线性化等功能 。 电路用于光电辐射测温仪 的信号处理 其量程 范围 ℃ 。 变换电 路的 测 量 误 差 生 ℃ 士 个字 ， 不包括光电转换元件的误差 讨论了信号变换系统 的工 作原 理及软件程序框图 ， 分 析了各部分的误差及其影响 ， 给出了 试验 结果 。 结果表明 ， 以 软件和 硬件 的结合 ， 数 字 电路和模拟电路的结合构成的变换系统 ， 具有更大的灵活性 ， 并 简化了 结构 。 关键词 线性化 ， 温度测量 ， 单片计算机 。 彭 一 一 只 人 澳 ， 喇 卿 ， 一 ， 一 一 一 一 ， ， ， ℃ ， ℃ ℃ ， 一 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．04．028

influnces are discussed.Finally,the results of cxperiments arc given out. A optical fiber pyrometer included the signal transforming system has been turn out.The pyromcter was calibrated by the blackbody furnace.The result of calibration shows that the maximum error is less than 2 C.The pyro- meter has been installed on the blast furnace,which used to measure molten iron. It is shown that,combining hardware with software,digital circuit with analog circuit,the signal transforming system is more flexible and the cons- truction of the system is simpler.This signal transforming system can meet the demand of the signal inputed,which not only temperature,but also some other sensors. Key words:linearity,tmeperature measurement,single-chip micro- computer. 前 言 辐射测温仪在治金高温现场的应用日趋广泛。辐射测温仪接受的辐射信号经光电传感器 转换为电信号，这个电信号是一个与被测温度呈非线性的模拟量，通常的方法是经硬件电路 或软件程序实现线性化，再做数据处理〔1,2)。对于含单片计算机的辐射测温仪，由于其指令 系统不丰富，软件线性化编程复杂，利用程序控制的线性化电路，可以简化软件程序及硬件结 构。这个电路还可以实现八位A/D转换器的高位变换及零点自动补偿，量程自动切换等功 能。 1信号变换的工作原理 变换系统最重要的作川是线性化。设输人信号V,=f(T)是被测量T的非线性函数，以 折线代替之： V=ai (T-Ti)+bu 0<i<N (1) 其中 a1=f(T:)-f(T-1) bi=f(Ti-1) V'≈Va (2) 为实现输人电压的线性化，设计了如图1所示的变换系统，其中V为精密电压源。 在图1中： V.V:-V (3) =KVi-VMi (4) 54

， 土 ℃ ， 。 ， ， ， ， ， 月 ， ， 一 前 言 辐射测 温仪在冶金 高温现场 的应用 日趋 广泛 。 辐 射测温 仪接受的辐 射信号经光 电传感 器 转换为 电信号 ， 这个 电信号 是一 个与被 测温度 呈非线性的 模拟量 ， 或软件程序实现线性 化 ， 再做数据处理 〔 ， “ 〕 。 通 常的方法 是经 硬件 电路 对 千含单 片计算机 的 辐 射侧温 仪 ， 由于其指令 系 统不丰富 ， 软件线性 化编程 复杂 ， 利 用 程 序控制的线性 化 电路 ， 句 以 简化软件程序及 硬件结 构 。 这 个 电路还 可以实现 八位 转换 器 的 高位 变换及 零点 自动补偿 ， 量程 自动切 换 等 功 育旨 。 信号 变换 的工作原 理 变换系 统最重 要 的 作 用 是线性 化 。 设 输入信号 ， 二 折线 代 替之 是被 测量 的非 线性 函数 ， 以 二 一 其 卜 ， 一 ‘ ， ， 、 ， 为 实现输人 电压 的线 性 化 ， 在 图 中 设计 了如 图 所示的 变换系 统 ， 其 中 为精密电压源 。 人 ， 一

0 V, Meacure V/D dTyo-aT9uTS raindwoooom 图1信号变换原理图 Fig,1 Skeleton diagram of signal transforming 其中 Ki= RAi i=0,1,2,…N-1, Va 在每一区间(Vi1,V1)内，输人/输出呈线性关系，不同的区间内有各自的参数K:及 Vz1值。如图2所示。 v K Ve: 图2丽数的线桃化 Fig.2 Linearing of the function 从以上的几个关系式中，可以找出各参数应满足的条件，由式(2)，式(3)及式 (4)得到： V=K:a:(T-T:-1)+(K:b:-Vw:) (5) 若在每一区〔Ti-1,T1〕中，选取K:及VN,使得 Kia;=C 0≤iN (6) I Kb:-VM:=0 55

入 材。 · 言膏 ， 牛 参 一 味 ‘ 二斗 司 产 食尝 二 忿已一份 图 信号变换原理图 其 中 入‘ 二 ， ， ， · · 一 一 ， ， ‘了 在每一区 间 ，，一 ， ，， 内 ， 输 入 输 出呈 线性 关系 ， 不 同的 区 间内 有各 自的参 数 及 二 。 值 。 如 图 所示 。 叽火 凡 ， 布贡叮不 一杯二二犷 认 一 认 一不 图 雨数的线性化 从 以上的几 个关 系式 中 ， 可以找 出各参 数 应满足的 条件 ， 由式 得到 人 一 一 ， 丈 一 若在每一 区 〔 ，一 ， 〕 中 ， 选取 及 ， 使得 式 及 式 厂 二 ， 一

成立，附共中C是与无关的常数。式(6代回代(5)，则 VA=C(T-Ti-) (7) (Te〔T:,T:)i=1,2,N 在每一区间内，V都是被测量的线性函数，更为重要的，它的变换系数C是一个固定的 常数，不随区间改变。若等分划分区间{T:},那么，A/D转换后，计算机中只需设置两个参数， C及△T=T:-T:,并且计算机中的线性化公式是唯-的式(T),贝要调整K:及 V×1,就可以使各种输入曲线都满足这一公式，这为没有固定规律的输入信号的整机调试和 标定带来了方便。 输入信号V所屈区间(V:-1,V:),由计算机判断决定，此时i值和A/D转换器输出 构成了与被测量呈线性的数字量。 信号变换系统在单片机程序控制下分时工作，由下述几个部分组成： (1)自动量程跟踪切换单片机首先寻找Vλ所在区间，将开关K:拨向“测量”，通过 比较器B判断，K2接通RM】及Ri。此时开关码j即为A/D变换的高位值。 (2)变换在上述状态下进行A/D转换。 (3)零点自动补偿此时将K1掷向“零补”，测出运放A的零点漂移，并将这一漂移量 从信号量中扣除。这就降低了系统对运算放大器零点漂移指标的要求。 信号变换系统的工作过程如图1所示。 2信号变换系统的软件程序 辐射测温仪必须由黑体炉标定，计量部门的黑体炉上只给出每百度标准点的温度值，百 度间隔以线性分割，因而辐射测温仪中，线性化的区间长度以取100℃为合适，对于8位 A/D转换器最大输出255个字，若取每段输出恰好为每百度200个字，小数点前移一位构成低 位，而高位=开关码+量程下限，完全避免了乘除法运算，直接表示为被测温度，并且提高了 转换速度。程序中无须设置折点及斜率等参数组，只要调整电阻R,:及RM:值就可以使输入 曲线满足软件中的唯一固定不变的程序。这就使得整机无需在单片机开发系统参与下独立地 进行调试，方便了标定及现场试验。 程序框图见图3。 3电路的误差分析 信号变换的误差由三部分组成：A/D转换误差，电阻R:及RM:精度及精密电压源Vw的 误差。 3.1A/D转换器精度对信号变换的形响 转换开关K:将输入信号V分割为若干段，即相应地将转换位数提高了。若8位A/D总的 不调节误差为±1LSB。若输入信号分制为8段，则总的转换位数为11位，分辨率提高了23 倍，总的不调节误差仍为±1ISB,而误差下降为±0.05%。 3,2电阻{Ra:,{RM:}的影响 56

成 立 ， 而 其 中 是 与 无 关 的常 数 。 式 代 ，， 式 ， 则 ‘ 一 〔 〔 ， ， 〕 ， ， · · 一 在每一 区 间内 ， 都 是被 测 量 的线性 函数 ， 更 为重 要 的 ， 它 的 变换 系数 是一个 固定的 常 数 ， 不随 区 间改 变 。 若等分 划分 区 间 ， 那 么 ， 转换 后 ， 计 算机 中只需设 置两个参 数 ， 及△ 一 一 、 ， 并 且计算机 中的线性化公 式是 唯 一 的 式 ， 只 要 调 整 及 ， 就 可以 使各种 输 入 曲线 都 满足 这 一公 式 ， 这 为没有 固定 规律的输入信号 的整机调 试 和 标定 带来 了方便 。 输入信号 ，所 属区 间 ， 一 、 ， ， ， 由计算机判 断决定 ， 此时 值和 转换器输出 构 成 了与被 测量 呈线性 的数字量 。 信号 变换 系统 在单 片机程 序 控制 下分 时工作 ， 由下述 几个部分组 成 自动 量程 跟 踪切 换 单 片机首先 寻找 入所 在 区 间 ， 将开关 工拨 向 “ 测量 ” ， 通 过 比较器 判 断 ， 接通 ， 及 ，。 此时开 关码 即为 变换的 高位值 。 变换 在上述 状 态下进 行 转换 。 零点 自动补 偿 此 时 将 ，掷 向 “ 零补 ” ， 测 出运 放 的 零 点漂移 ， 并将这 一漂 移量 从信号量 中扣除 。 这就 降低 了系统对运 算放 大 器 零 点漂 移 指标 的要求 。 信 号 变换 系统的工 作 过程 如 图 所示 。 信号变换系统的软件程序 辐射测 温仪必须 由黑 体 炉标定 ， 计 量部 门的黑 体 炉上 只给 出每百度 标准 点的 温度 值 ， 百 度 间隔 以线性分 割 ， 因而 辐 射测 温 仪 中 ， 线性 化的 区 间长度 以取 ℃为 合 适 ， 对 于 位 转换 器最 大 输 出 个 字 ， 若 取 每 段 输 出恰 好为 每百度 个 字 ， 小数 点前移 一 位 构 成 低 位 ， 而 高位 二 开 关码 十 量程 下 限 ， 完 全 避 免 了乘除 法运算 ， 直接表示为被 测 温度 ， 并且提高 了 转换速度 。 程 序 中无须 设 置 折 点及 斜率等参 数组 ， 只要调 整 电阻 及 ， 值就可 以使 输 人 曲线 满足 软件 中的 唯 一 固定 不变的程 序 。 这就 使得整 机无需 在 单片机开 发 系统参 与下独 立 地 进行调试 ， 方便 了标定 及现场 试 验 。 程 序框 图见 图 。 电路的误差分析 信号 变换的误 差 由三部分组 成 转换误 差 ， 电阻 ， 及 精度 及精 密电压 源 动勺 误 差 。 转换 器精度对信号变 换的影 响 转换开关 。 将输 入信 号 分割 为若干 段 ， 即 相应地将转换位数提 高 了 。 若 位 总 的 不调 节误 差为 士 。 若输人信号分 割 为 段 ， 则 总 的 转换 位 数为 位 ， 分 辨率提 高 了 ” 倍 ， 总 的 不调 节误 差仍为 士 ， 而误 差 下 降为 士 。 电阻 玉 ， ， 通 二 的影响

Stort X,switch to measure B一其n 。 utput 2ooking upK R3-R,-1 N Comroretor B input R,=0 午1下 Y A/D converting of X. Downfiow proceeeing overflow? a R.-X X.suttch to zero-compensntion A/D converting of X. X+X2-x。 20 X:-X-200 R,R3-1 0? Hocovery X: ,一H,*1 R,一X、=R,+10 End 图3程序框图 Fig.3 Block diagram of program 设电阻R:,RM:的不准确度分别为△：及AM,即 f Rii=Rvi+A: (8↓ LRMI=ROM:+△M 式(8)代入式(3)中 RF V"RuV.-RouAw 57

舀 ‘ 粉 日 。 凡 一 ， 子“ 况， ， 王。 陀生刀 ，旧嗯琳 ，一 只，一 ， 。 了 自 主 只， 二 气 亡二。 ， 寸 ‘ ” 丫 。 工 。 ‘ 主 八 · 一 沁 水 ， 土 之 已 一 ， 乍噢笋 飞 了 飞 从 入 毛 一 入 。 全 一 一 之 ，一只， 一 泣 丫 丫 ‘ 令 一 、 、 妙，， 尸 一 、 二 尺 为主 图 程序框图 设电阻 ，， 、 的 不准确度 分 别为 △，及 △ ， 即 二 之 ， 入， 二 △， ， 易，口 式 代 入式 ， ， 、 。 、 一二 一 了 一 一 －－ 附 ‘〕 ， 八 ， 之口 △ 、

AV V (or Va (o (9) Roai ROMi i=0,1,2,…,N-1。 则 8Va≤δR (10) 其中 8VA=AVA/VA 8R=Mx(RO’Rwi △M 北京钢 从式(9)，Rr与R,Rx;R;与RM:的漂移都有相互抑制作用，若选择的电阻性质 相同，可以部分地补偿电阻漂移（尤其是温度漂移）造成的误差。 3.3电压源V产生的误差 设电压源的电压误差为△VM VM=VOu+AVm 而A/D转换器的参考电压Vz=nV,A/D转换器的数字输出Z与模拟输人Va的对应关系如 下 五号机 Z=V·256= RrV,-Rr (VOx+Av) Rii RMi -·256 (11) nVM n V OM+A VM) 6Z=. VM.-- (12) 1-(Rr.V)/Rr V:) Rmi Rii 分析和试验都证明，主要误差来自电阻值的不准确。采用精密电阻，可提高系统的变换 度。同任何-一种A/D转换电路一样，系统需配备高精度的电压源。 4试验结果 代 变换电路的电路原理图如图4所示。 CD4,053 CD4051 ADC0809 6039 Rs +12V WR CA741 a 12V 74Ls75 李 +12V ,P】1 705 %99 图4信分变换电路图 Fig,Ciruit diagram of signal transforming 58

△ 二 一 ， ， 二 十 ， △ 。 二 ， ， ， … ， 一 。 则 占 占 其 中 滋北钢院一 。 从 占 二 △ 八 △， △ 号五机 从 式 ， 与 ， ， 尺 与 的 漂移都 有 相 互 抑制作用 ， 若选择 的电阻性质 相 同 ， 可以部分 地 补 偿 电阻 漂 移 尤 其 是温度 漂 移 造 成 的误 差 。 电压源 产 生 的误差 设 电压源 的 电压误 差 为 △ 一卜 八 ， 而 转 涣器 的 参考 电 压 ， 二 ， 转换 器的 数 字 输 出 与 模拟 输入 ‘ 的 对 应关 系 如 一 叮 △ ， 占 二 。 二 一 ‘ 一 、 刀 △ 、 · 占 一 ， 分析和试验都证 明 ， 主要误 差来 自电阻值的 不准确 。 采 用精 密电阻 ， 可提高 系统的变换 度 。 同任 何一种 转换 电路一样 ， 系统需配备高精度的 电压源 。 代 试验结果 变换 电路的 电路原理 图如 图 所 示 。 叭 另 队 ， 多 一 一 二下 。 一 ‘ 例 工路 几 一 一 、 卜一 、 几、 、 几 ， 口。 一 ， 二一 一喇 产 人 生」，，子 图 信 号变换 「包子芯图 厂 二盒

图4电路的试验结果见表1及表2 表1电路的试验数据(1000~1800℃) Table 1 Date from the circuit experiment (1000~1800C) Standard temp.,'C 1000 1100 1200 1300 140 1500 1600 1700 1800 Input voltage,mV 2.20 5.41 11.6 22.7 40.3 68.0 105 198 368 Display,C 1000 1100 1201 1300 】400 1500 16001699 1800 表2电路的试验数据(1200~1600℃) Table 2 Date from the circuit experiment (1200~1600C) Standard temp.,C 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 Input voltage,mV 0.76 1.101.44 1.992.54 3.424.29 5.58 6.87 Display,C 12001250129913491400 14501500 15491699 表1和表2为不同输入规律的传感器信号。只要变换图4中RM:及R:的电阻值，就可 以满足不同函数关系的传感器。从表中可以看到，变换系统的误差不大于1个字。 该变换系统配接上光纤传感器及后接显示系统，组成了多模光纤温仪，根据现场要 求，量程范围定为1200~1600℃。测温仪在航天部第三研究院计量站标定，《检定结果证 书》给出的结果见表3。 表3测温仪检定结果 Table 3 Calibrating result of pyrometre Standard temp.,C 1208 1300 1400 1500 1600 Display,C 1204 1301 1401 1502 1601 EttOr8,·C 一4 +1 +1 +2 +1 从1985年8月底开始，测温仪在承德钢铁厂3号高炉运行，用于测量高炉铁水出炉温度 现场测试结果表明，测温仪的测定结果与热电偶测定的基本一致。 另一台包含该变换系统的多模光纤高炉铁水连续测温仪，标定量程范围为1200~1800℃， 测温仪在航天部三院计量站标定，并在承德钢铁炼铁分厂2号高炉投入运行。《检定结果 证书》给出的结果为士2℃。多模光纤测温仪与热电偶对比测量的一些现场实测数据基本一 致。 5结 论 (1)变换电路实现了信号的线性化及Λ/D转换，具有比较高的变换精度。 (2)以8位A/D转换器获得了11位的转换精度，同时因是分区闻转换，所以无论在高 端量程或低端量程，都具有相同的相对精度。 (3)零点补偿功能解决了电路的发点漂移，降低了系统对运算放大器该指标的要求。 59

图 电路的试验结果见表 及表 表 电路 的试验数据 一 ℃ 主 ℃ 一 目 自 臼‘ ， 。 ， · · · · 。 一 ， ’ 连 一 如 一 一一 一 一一一 一 一一 ， ， 一一 一一 一一一 一一 表 电路的试验数据 ℃ ℃ 一一 一一一 曰助 ， 一，肠 小 口侧 侧川州甲 ， 一 创口 姗 ‘ ， 口 ， 岛 ， 。 。 曰 曰 一一一 一 ， ， 一 峨 ‘ ，， · 召 遵 一一一 目 口 一一 一 一 一 ， ‘ 矛 少 、气多 表 和表 为不 同输 入规律的传感器信号 。 只要 变换 图 中 ， ，及 ， 的 电阻值 ， 就 可 以满 足不 同函数关 系的传感 器 。 从表 中可 以看到 ， 变换 系统的误 差 不大 于 个字 。 该 变换系统配 接上光纤传感器及后接显示 系统 ， 组 成 了多模光纤测温 仪 ， 根据 现 场 要 求 ， 量程 范围定为 。 ℃ 。 测温 仪在航天 部第三研究 院计量站标定 ， 《 检定 结 果 证 书 》 给 出的结 果 见表 。 表 测 温 仪 检 定 结 果 吧 口 ， 。 ， 。 ， ’ 一 十 十 十 一 从 年 月底开始 ， 测温 仪在承德钢铁厂 号 高炉运 行 ， 用 于测量高 炉铁水 出炉温 度 现场测试结 果表 明 ， 测温 仪的测定结果与热 电偶 测定的 基本一致 。 另一 台包含该 变换系统的 多模光纤 高炉铁水连续测温 仪 ， 标定量程范围为 工 ℃ ， 测温 仪在航天 部三院计量站标定 ， 并在承德钢铁 厂炼铁分厂 号高炉投 人运行 。 《 检定结果 证 书 》 给 出的结 果为 士 ℃ 。 多模光纤测温 仪与热 电偶对 比测 量的一 些现场 实测 数据 基本一 致 。 结 论 变换 电路 实现 了信号的线性 化及 转换 ， 具有 比 较 高的 变换精 度 。 艺 以 位 转换 器获得 了 位的转换精 度 ， 同时 因 是分 区 间转换 ， 所 以 无论 在高 端量程或低端 量程 ， 都其有相 同的相对精度 。 零 点补 偿功 能解决 了电路的 零点漂移 ， 降 低 了系统对达 算放大 器该指标的要 求

(4)信号变换软件简单，线性化参数可以脱离单片机开发系统独立调试。量程范围 宽。 (5)以饮件和硬件的结合，数字电路和模拟电路的结合完成信号的变换，具有简单， 灵活性强等特点。这个电路也适合于其它参数测量中的非线性转换。 仪表81级姬厚华，田学锋同志参加了本系统电路及程序的调试，两凤山.薛秀琴.胡继五同志及承德钢铁厂厂王久训同 志参加了现场的调试安装。 参考文献 北京朝院 1 Trofimenkoff,N.ct al:IEEE.Transactions on Instrumentation and Measurement,Vol.IM-33 No 1,March (1984),P60~63 〔2)檀东锵：自动化仪表，1（1985)，15~17 机 站 G0

﹃翩北京院 信号 变换软件 简单 ， 线性化参数可 以脱离单 片机开 发 系统独立调试 。 量 程 范 围 宽 。 以软件和 硬件 的结 合 ， 数字 电路和 模拟 电路的结 合完 成信号 的 变换 ， 具 有 简单 ， 灵活性强等 特 点 。 这 个 电 路也适 合于 其它参 数测量 中的非线性转换 。 仪表 级姬厚华 ， 田学锋同志参加了木系统 电路及程序的调试 ， 周凤 山 薛秀琴 胡 继五 同志及承德钢铁厂 王久训 同 志参加了现场的 调试安装 参 考 文 献 〔 〕 ， 犷 ， 〔 〕 檀东锵 自动 化 仪表 ， 。 一 机五号 代