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基于ATtiny13的模拟量隔离采集

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1 概 述
在工控应用中,模拟信号采集通常需要采用隔离技术,以避免大型电气设备启合或切换过程中造成的电源和地线波动影响弱电控制系统。常见的模拟量隔离方法主要有隔离放大器、电磁隔离和光电隔离3种方式。隔离放大器,精度很好,但成本高;电磁隔离,设备体积较大,精度较差。
光电隔离技术是一种非常有效的抗干扰手段。光耦作为常见的光电隔离器件,主要用于数字量隔离传输。如果使用光耦传输模拟量,那么要求光耦的非线性度非常小,以保证输入的模拟信号的线性,绝大部分的光耦都很难达到。为了实现对模拟量的光电隔离采集,必须先进行模/数(A/D)转换,才能将转换后的数字量经由光耦传递给下一级电路。
传统方法,直接使用A/D芯片进行模/数转换,然后经光耦传输。按接口形式,A/D芯片可分并行和串行访问2种方式。并行A/D芯片采集精度越高,并行数据线占用的光耦数目越多,而且需要配以控制A/D转换操作相应的隔离信号,这种方式接线多,占用资源也多;串行A/D芯片可以节省不少光耦,但需要复杂的时序才能完成对A/D的读写操作。
本文提出一种使用集成A/D的微型单片机AT-tiny13进行模拟量隔离采集,使用单根数据线完成数据传输。模拟量隔离采集采用了简化的UART通信方式,即单工通信方式,只需要发送线TXD,无需接收线RXD。这样,单根数据线就能承担发送A/D转换值任务,接收方只要具备硬件UART或软件UART(接收),就可以轻松获取隔离模拟量值。


1楼2017-12-11 10:08回复
    2 ATtiny13简介
    ATtiny13具有1 KB Flash,64字节EEPROM,64字节SRAM,6个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,1个具有比较模式的8位定时器/计数器,片内/外中断,以及4路10位ADC。


    2楼2017-12-11 10:08
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      3 硬件设计
      模拟量隔离采集电路如图1所示。ATtiny13有2路10位ADC可控选择,本设计中只使用了1路ADC。光耦PC817用于传输A/D转换值。CLKI代表从外部引入的时钟源。


      3楼2017-12-11 10:08
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        4 软件UART
        ATtiny13内部没有集成UART功能。为了弥补这一缺陷,可以使用软件控制I/O引脚模拟UART功能,按照设定的采集速率将A/D转换值经光耦隔离输出。
        4.1 异步串行协议
        采用UART异步串行协议通信时,数据按顺序逐位输出。接收方通过监测起始位(低电平有效)和停止位(高电平有效)来判断一帧信息的起始与结束。数据帧中还可包括若干数据位和奇偶校验位。异步串行协议的起始位与停止位必须使用,其余各位可调整位长度。异步串行协议格式如下:

        本文定义帧格式为:起始位(1位),数据位(5位),无奇偶校验位,停止位(1位)。ATtiny13自带精度为10位的A/D转换器,而数据位设定为5位宽度,所以需要连续发送2次异步串行通信帧,才能将一次A/D转换值传送完整。按照高位先出的方法,前1次发送A/D转换值的高5位,后1次发送低5位。


        4楼2017-12-11 10:09
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          4.2 波特率设置
          波特率是UART异步串行通信中非常重要的参数。通信双方必须以约定好的速率通信,才能保证通信成功。波特率与异步串行协议中“位”所占用的时间密切相关。对于二进制信号,数据帧中每一位的占用时间就是波特率的倒数。因此,如何精确确定每一位的时间宽度,成为确保串口通信成功的关键因素。
          ATtiny13没有集成UART,但内部含有一个8位定时器/计数器,可利用软件控制该定时器产生波特率。MCU自带的RC振荡器可以作为时钟源,但是振荡频率存在最大±10%的误差,并且受温度影响较大。这样会造成波特率不稳,通信时可能出现接收不到数据,或者丢数据位、出现乱码和错码的情况。ATtiny13从外部引入了7.372 8 MHz有源晶振时钟信号,从而保证了主时钟频率的稳定性。
          异步通信波特率可按式(1)计算。

          式中:XTAL为引入的主时钟频率;Baud为需设置的波特率;C为定时器时钟分频系数;n为8位定时器/计数器的预加载比较值。定时器/计数器工作在CTC模式(比较匹配时清零定时器)。
          XTAL即7.372 8 MHz,Baud设定为9 600,定时器时钟信号为主时钟4分频(即C=4),可得n=192。据此,8位定时器/计数器从0计到192时,产生比较中断,软件控制发送新的一位信息。


          5楼2017-12-11 10:09
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            4.3 数据发送
            UART异步串行协议规定了在没有数据帧发送时,通过逻辑“1”表示目前处于闲置状态。如果有数据需要发送,首先将发送线TXD拉低成逻辑“0”,并保持一个基本时间单位;之后根据待发送数据的二进制数值,依次逐位输出。本设计中未使用奇偶校验位,相关处理略去。5位数据发送完毕后,紧接着将TXD拉高为逻辑“1”,表示该帧结束。软件UART发送流程如图2所示。

            函数Uart_SendByte(unsigned char data)实现了上述功能,一次发送5位数据。在模拟量隔离采集中,单片机不断地获取A/D转换值,并通过调用上述函数发送出去。


            6楼2017-12-11 10:09
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              结 语
              本文介绍一种基于ATtiny13的模拟量隔离采集电路,受ADC最大采样速率及光耦PC817传输带宽的限制,只适用于频率变换缓慢的模拟信号。该电路体积小、成本低、接线简单,已用于开关电源成品检测。


              7楼2017-12-11 10:09
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                家庭无线网络中影响无线信号的几个因素
                随着无线局域网技术的快速发展,无线局域网络在家庭,中小办公室以及企业当中的应用得到了迅猛发展。但由于无线局域网技术本身的限制,目前家庭用户在部署无线局域网络时,最经常碰到的一些普遍的问题,如:无线网络的信号干扰、传输距离、覆盖范围和穿透、通信性能等,一直是无线网爱好者关注的话题,而这个话题涉及的设备通常是无线AP和无线路由器,为了行文方便,本文且通称为无线AP。下面就谈谈对家庭无线网中的影响因素,这么因素的存在会可能使无线网的连接速率减低或根本无法接通。
                  1. 无线信号的干扰
                  由于无线局域网的无线射频采用的是ISM(工业,科学,医学)无线频段,其中802.11b、802.119标准使用的是2.4G频段,802.11a标准使用的是5.8G频段。因此无线局域网会由于在实际的运行环境当中一些突发的同频段的无线设备的射频干扰而受到影响。如微波炉、蓝牙手机信号都处在2.4G频段。
                  所以在无线局域网工作时,在它的区域中突然打开一台微波炉,或者蓝牙手机使用蓝牙耳机,或者突然有其他的同频段的无线设备运行都干扰无线局域网的无线信号。无线网络的物理环境发生变化,如在无线AP和无线客户端之间突然有大的障碍物移动出现等因素,会直接导致无线局域网的网络性能产生突然较大的降低,并且直接导致无线信号中断或速率降低。
                  还有一个干扰是来自无线局域网的本身,那就是同频段不同信道的干扰。这种有趣的情况在家庭用户发生,只能是在相同楼层相邻或相近建筑物的无线AP的相互干扰。相邻的无线AP设备之间应使用无干扰的不同信道。如:802.11b、802.11g使用相差五个频段的信道即可消除干扰,典型的无干扰信道的设置方式为分别为1、6、11信道。
                  2. 无线信号覆盖及穿透
                  家庭环境中,距离都较短,一般的无线局域网设备都号称传输距离在100米以上,所以信号的传输距离都不是问题。但是家庭环境却带来一个新的问题,那就是家庭的空间都比较拥挤,空间不够开阔,其中房间中的墙壁是最主要的障碍物。由于无线局域网采用的是无线微波频段。微波的最大特点就是近乎直线传播,绕射能力非常弱,因此身处在障碍物后面的无线接收设备会接到很微弱的信号,或没有收到信号。那么穿透呢?
                  这是很多网友最关心的问题,大家都希望无线信号能至少穿透屋内的隔墙。要提高无线信号的穿透隔墙的能力,有效的办法是提高天线的增益,我们在选购无线AP时最好能选择天线增益高的产品,一般至少要2 dBi以上为好。按照经验,2dbi的增益天线信号可以穿透两堵墙。若是房间太多,经过的隔墙比较多,最好是设备是天线可拆,以便配置高增益天线,如改换5dBi 的全向天线加以增强。
                  金属物体的障碍物,不仅阻挡微波无线信号,它还能把电磁的能量给吸收掉,生成弱电流泄流掉,因此,无无线信号在家庭环境中最大的金属物体的障碍物是内有钢筋网的楼板,这个方向的信号几乎没有穿透的可能。要能穿透,信号也是非常的弱。这么大尺寸的的障碍物,微波的绕射更是不可能。若天线设备的天线放在屋中央,则无线信号只能从开阔的通路从窗户直线发射出去。
                  在上述的因素我们都认识以后,就得为无线AP选择一个最佳的放置地点。这个放置点的要求如下:
                  一、位置应偏高一些,以便在较高地方向下辐射,减少障碍物的阻拦,尽量减少信号盲区;
                  二、位置点选择应是使信号尽量少地穿越隔墙,最好是房间中的无线客户端能与无线AP之间可视。
                  所以无线AP在家中的最佳放置点应选择在客厅当中,并能最好与房间中的电脑主机可视。


                8楼2017-12-11 10:10
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                    3. 无线局域网的性能
                    随着无线局域网络的快速发展,用户已将越来越多的关键应用运行在无线局域网络之上,这样许多常见的高带宽消耗型应用如视频应用等就要求无线局域网能提供更高带宽,以达到高品质的效能!我们知道,无线AP设备是一个“无线共享器”,它们共同接入无线客户端设备,运行的是以太网的CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测),明白的说它是一个“共享”的网络,象以前的网络集线器相同的网络工作原理,只是抛弃了集线器的线缆,而改为无线而已。
                    这样的共享环境是无线局域网的固有弊端,所以要能正常顺畅的使用目前的网络应用,一般的建议是一台无线路由器或无线AP最多只能接入30台无线客户端。超过的话,网络的传输性能将会大大下降。看来家庭用户一般都没有这么多的无线客户端,所以无线局网对家庭来说是完全可以接受的。但无线网中应尽量避免使用BT、电驴等这些P2P下载软件,因为这样会有可能把整个无线网瘫痪掉。
                  BT、电驴采用了文件分段和多点传输的方法来提高文件的传输速度。BT软件首先会在上传者端把一个文件分成若干部分,提供给用户下载。下载方在下载这些文件的时候并不是按次序下载分割后的文件的,下载剩余的部分也不必一定要到上传者的电脑中进行,而是可以通过BT软件的分布式交叉下载程序到其他的下载者那里下载。这样,下载者在下载的同时也承担了部分上传的工作,下载和上传同步进行,这就大大提高了文件的下载速度,但前提是有很多人同时在那个下载点下载同一个文件才行,当只有很一两个下载者时,下载速度不会很快。
                    BT下载更普遍被认为是吞噬带宽的重量级杀手。这也正是不少宽带运营商宣布封杀BT时给出的最大理由。在共享式的网络中,如果有使用BT下载,则会对其他别的上网应用造成很大程度的占用,使整体网络速度变慢甚至大“塞车”。
                    小结:只要我们能正确认识无线局域网和无线AP的无线特点,在家里部署无线网就能使用得很舒心。对那些影响无线网的因素再作一个总结:避免在无线网区域中同频段无线设备,避免无线信道的干扰。无线AP要放置在较高地点,与无线客户端尽量可视,避免出现盲区,避免穿透太多隔墙,避免被金属障碍物挡住。由于无线网是共享式的网络,应避免使用大流量,甚至引起网络阻塞的BT类下载软件。


                  9楼2017-12-11 10:10
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