专利名称：基于片上系统的色谱数据采集装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度色谱数据采集装置及方法，尤其涉及一种采用高集成度大规模集成电路，基于SOC(System On Chip片上系统)技术的高精度色谱数据采集装置及方法。
2.采用∑-Δ转换元件将色谱仪的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机将数据传送至数据处理装置。
传统的色谱数据采集装置主要不足在于1.为数据采集装置至少需要A/D转换和数字接口电路两部分元器件组成。其中数字接口电路可以由单片机或多个中小规模集成电路组成，因此构成数据采集装置需要由多片不同功能的集成电路。
2.用V/F或V/T转换的元器件组成的数据采集装置，其A/D转换的精度和动态范围受到元器件性能指标的限制，因此需要在全范围内采用不同的增益表示，对提高系统的采集精度和制造工艺有一定难度。
3.用∑-Δ转换电路和单片机组成色谱数据采集装置，也存在集成度低、采用元器件数量多、采集控制复杂等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种色谱数据采集装置及方法，其可实现在一个单片微控制器内实现高精度A/D模数转换、色谱数据采集、数据传送。
为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案一种基于片上系统的色谱数据采集装置包括输入端与色谱仪相连接的两运算放大器，其特征在于，该装置还包括一连接于两运算放大器的输出端的微控制器、所述的微控制器内集成有单片机内核、两个独立的A/D转换电路、串行通讯接口，所述的A/D转换电路分别通过片内的单片机、串行通讯接口与PC机相联接，所述的微控制器设有若干开关量输入、输出接口，分别输入色谱仪分析的起始信号、停止信号、运行模式控制信号、输出通道控制信号。
本发明还提供一种基于片上系统的色谱数据采集装置的工作方法，包括如下步骤1、初始化设置，2、判断工作模式，进入工作模式或测量模式，所述的工作模式包括下述步骤11、调试校正，12、进入键盘扫描模块，工作程序初始化，如果未就绪，则等待，循环测试，如超过预设等待时间，则执行步骤13，通信出错，程序退出，如步骤12就绪，则执行步骤14，判断通信端口是否就绪，如已就绪，则启动通道进入工作状态。所述的工作状态包括下述步骤执行步骤21，采集数据，建立分组数据，再执行中断服务模块、包括数据传送、通道切换、输入命令处理、设置处理标志，执行步骤22、根据处理标志进行处理，返回执行步骤21，进入工作状态循环，否则，执行步骤23退出工作状态。
采用SOC技术设计的微控制器，是用于集成传感器、袖珍仪器仪表、压力变送器等，标准接口4～20mA传输的专用微控制器仪表。由于微控制器内含有高精度、宽测量范围的∑-ΔA/D转换电路、微控制器、存储器和数字接口电路，因此采用微控制器组成的色谱数据采集装置，只需一片微控制器即可实现A/D模数转换，将色谱仪的模拟信号转换为数字信号，并进行积分计算，同时还可以作为数据传送等接口电路。
图2是
图1所示的基于片上系统的色谱数据采集装置的工作流程图。
图3是图2所示的工作状态的工作流程图。
所述的运算放大器2、3作为色谱仪的信号模拟量信号调理器，其输入端与色谱仪联接，输出端与微控制器1联接。运算放大器2、3采用低漂移运算放大器OP-07(OP-27等)，其输入动态范围为0～±1V，输出为0～±2.5V，放大倍数为2.5倍。由于色谱仪模拟量信号输出一般为0～1V，因此设计中考虑的动态范围0～±1V能够满足色谱仪要求。
所述微控制器1由SOC技术制造的，采用型号为ADμc824、ADμc834或ADμc812或ADμc816，其内集成∑-ΔA/D转换电路，具有很宽的动态范围(24Bit)，可实现A/D模数转换，同时将数据进行预处理，并整理成一定格式的数据，通过串行接口与PC机(或嵌入式电脑)相联接，在本实施例中微控制器1采用ADμc824，其内设有两个独立的A/D转换电路，并分别通过通道A、B与PC机相联接，主通道A可控制精度达24bit，辅助通道B可控制精度达16bit。
所述微控制器1含有8Kbyte的程序存储器，以及256byte的数据存储器。根据其丰富的硬件资源可实现A/D采样和数据预处理及数据传送等控制功能。
所述的微控制器1还具有若干辅助功能。如温度传感器，可根据温度传感器测量的温度值可对系统作温度补偿，以进一步提高采样的精度，具体作法根据已知的温度补偿曲线，通过D/A输出恒流源对基准电压Vref+，Vref-作温度补偿，以提高A/D采样的精度。
所述的微控制器1具有串行通讯接口。Rx、Tx经串行通讯接口4电平转换(TTL→RS)为RS232，与PC机联接实现串行通讯，串行通讯接口4是采用MAX202集成电路，其通讯速率为19.2KBd。串行通讯接口4信号的输出与PC机联接，为了避免PC机地线对本数据采集装置的A/D转换精度影响，必须采用光隔离技术，将数据采集装置的地线与PC机的地线完全隔离。
所述的微控制器1设有开关量输入接口P1.0、P1.1、P3.2、P3.3、P2.0、P2.1、P2.2。
所述的开关量输入接口P3.2(P3.3)输入的是色谱仪分析的起始信号，通过人工按动按钮，使输入接口P3.2(P3.3)产生低电平，表示起始信号，传送至微控制器1，然后通过RS232接口4传送至PC机，表示色谱仪已进入分析状态。所述的开关量输入接口P1.0(P1.1)输入的是色谱仪分析的停止信号，通过人工按动按钮，输入接口P1.0(P1.1)产生低电平表示色谱仪停止分析，进行数据处理。
当开关量输入接口P2.0的输入信号为色谱数据采集装置的运行模式控制信号，当输入信号为高电平时，则表示色谱数据采集装置处于工作模式，输入信号为低电平时，则表示色谱数据采集装置处于测量模式。该信号状态变化，仅在上电运行时被检测，在上电运行过程中其信号状态改变，不会影响改变运行模式。
当开关量输入接口P2.1、P2.2的输入信号均为低电平，则A/D转换电路的工作模式为通道A、B均为禁止，当输入接口P2.1的输入信号为高电平，输入接口P2.2的输入信号为低电平，则A/D转换电路的工作模式为通道A运行，当输入接口P2.1的输入信号为低电平，输入接口P2.2的输入信号为高电平，则A/D转换电路的工作模式为通道B运行，开关量输入接口P2.1、P2.2的输入信号均为高电平，则A/D转换电路的工作模式为通道A、B均运行。
所述的微控制器1还设有开关量输出接口P0.0～P0.7、P2.3～P2.7。
所述的开关量输出接口P0.0～P0.7，其输出的开关量信号，分别驱动对应的继电器A0～3、B0～3。当色谱数据采集装置与不同类型色谱仪联用，其输出开关量信号在时间程序的控制下可输出控制各继电器如实现控制自动进样器、电动阀件、气路切换等功能。
当色谱数据采集装置处于调试模式下时，所述的开关量输出接口P2.3～P2.7分别与LCD显示器(CS1、CS2、RD/W、RST、A0)联接，P0.0～P0.7分别与LCD显示器DB0～DB7联接，在调试模式的程序运行下显示调试内容。
所述的微控制器1内部还含有i8052的MCU(单片机)核，因此其指令系统涵盖了i8052的指令系统，其片内的数据的地址空间除了i8052的SFR(特殊功能寄存器)以外，还包含了一个具有掉电保护的数据区，因此给程序设计和运行的灵活性带来了方便，下面结合图2、图3具体描述本发明的工作过程。
首先执行步骤100、初始化设置主要是指对色谱数据采集装置的程序运行的初始化数据的设置，其中包括SFR(特殊功能寄存器)的设置，如设置内核的时钟频率；程序运行的入口地址、数据指针、SP(栈指针)；设置中断程序的相关中断寄存器(IE、IP)的数据；设置通讯控制寄存器确定通讯速率、工作模式；设置定时中断寄存器，控制定时中断地周期；设置各输入输出口(P0，P1，P2，P3)状态；设置程序状态字。
再执行步骤101，判断工作模式，当P2.0输入为低电平，则进入工作模式102；当P2.0输入为高电平，则进入测量模式103。
所述的工作模式102包括下述工作步骤执行步骤1021、内部自测调试校正，执行步骤1022、进入键盘扫描模块，工作程序初始化，如果未就绪，则等待，循环测试，如超过预设等待时间，则执行步骤1023，通信出错，程序退出，如步骤1022就绪，则执行步骤1024，判断通信端口是否就绪，如已就绪，则启动通道A、B进入工作状态1025。
所述的工作状态1025包括下述工作步骤执行步骤1026，采集数据，建立分组数据，再执行中断服务模块1027、包括数据传送、通道切换、输入命令处理、设置处理标志，执行步骤1028、根据处理标志进行处理，返回执行步骤1026，进入工作状态循环，否则，执行步骤1029退出工作状态。
所述的测量模式103包括，步骤1031，进入系统自检调试，此时外部提供测试条件电压为0～1V，连接至运算放大器输入端，再执行步骤1032，测试(AIN1～AIN4)，执行步骤1033、通过输出接口P0、P2口输出至LCD显示对应的电压读数值，执行步骤1034、测试输入接口P1.0、P1.1、P3.2、P3.3的输入信号，执行步骤1035、测试通信接口，发送数据，执行步骤1036、接收测试码。
所述的中断服务程序1027主要包括两部分A/D采样子程序和数据传送子程序。1、A/D采样子程序ADμc824微控制器含有两个独立的转换器，可同时进行双通道采样。而色谱数据采集装置可以选用单通道A工作，或者选用单通道B工作，或同时选用A、B双通道工作模式。工作模式的选择可以通过P2口的输入条件不同进行选择，A/D采样子模块根据输入接口P2.1、P2.2的输入状态，设计为不同的程序路径，实现不同的采样控制。
同时根据不用采样速率控制不同的采样间隔，获得A/D转换的数据，并以同等速率将采集数据存放在A/D采集缓冲区以便数据传递。2、数据传送子程序数据传送子程序，是将采集的数据以4字节为一组数据传递至外接的PC机(或嵌入式电脑)每组数据信息内包括采集数据的值，以及数据特征信息A通道和B通道，分组数据，数值的正、负特征。以便数据处理时识别。
权利要求
1.一种基于片上系统的色谱数据采集装置包括输入端与色谱仪相连接的运算放大器(2、3)，其特征在于，该装置还包括一连接于运算放大器(2、3)的输出端的微控制器(1)、所述的微控制器(1)内集成有单片机、两个独立的A/D转换电路、串行通讯接口，所述的A/D转换电路分别设有通道(A、B)，所述的微控制器(1)设有开关量输入接口(P1.0、P1.1、P3.2、P3.3、P2.0、P2.1、P2.2)，所述的开关量输入接口(P3.2、P3.3)输入的是色谱仪分析的起始信号，所述的开关量输入接口(P1.0、P1.1)输入的是色谱仪分析的停止信号，所述的开关量输入接口(P2.0)的输入信号为运行模式控制信号，开关量输入接口(P2.1、P2.2)的输入信号为通道(A、B)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于片上系统的色谱数据采集装置，其特征在于，该色谱数据采集装置还设有开关量输出接口(P0.0～P0.7、P2.3～P2.7)，所述的开关量输出接口(P0.0～P0.7)，所述的微控制器后接有继电器(A0～3、B0～3)及液晶显示器，所述开关量输出接口(P0.0～P0.7)输出的开关量信号，分别驱动对应的继电器(A0～3、B0～3)，所述的开关量输出接口(P2.3～P2.7)分别与液晶显示器联接，所述的开关量输出接口(P0.0～P0.7)分别与液晶显示器联接。
3.根据权利要求1所述的基于片上系统的色谱数据采集装置，其特征在于，该色谱数据采集装置还设有片上温度传感器，所述的微控制器(1)可根据温度传感器测量的温度值可对系统作温度补偿。
4.根据权利要求1所述的基于片内系统的色谱数据采集装置，其特征在于，所述的片内系统含单片机内核为i8052。
5.一种根据权利要求1所述的基于片内系统的色谱数据采集装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤首先执行步骤(100)、初始化设置，再执行步骤(101)、判断P2.0输入是否为1，当开关量输入接口(P2.0)输入为低电平，进入工作模式(102)；当开关量输入接口(P2.0)输入为高电平，则进入测量模式(103)。所述的工作模式(102)包括下述步骤执行步骤(1021)、内部自测试校正，执行步骤(1022)、进入键盘扫描模块，工作程序初始化，如果未就绪，则等待，循环测试，如超过预设等待时间，则执行步骤(1023)，通信出错，程序退出，如步骤(1022)就绪，则执行步骤(1024)，判断通信端口是否就绪，如已就绪，则启动通道(A、B)进入工作状态(1025)。所述的工作状态(1025)包括下述工作步骤执行步骤(1026)，采集数据，建立分组数据，再执行中断服务模块(1027)、包括数据传送、通道切换、输入命令处理、设置处理标志，执行步骤(1028)、根据处理标志进行处理，返回执行步骤(1026)，进入工作状态循环，否则，执行步骤(1029)退出工作状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的中断服务程序(1027)主要包括两部分A/D采样子程序和数据传送子程序。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述的通道切换是指当开关量输入接口(P2.1、P2.2)的输入信号均为低电平，则A/D转换电路的工作模式为通道(A、B)均为禁止，当输入接口(P2.1)的输入信号为高电平，输入接口(P2.2)的输入信号为低电平，则A/D转换电路的工作模式为通道(A)运行，当输入接口(P2.1)的输入信号为低电平，输入接口(P2.2)的输入信号为高电平，则A/D转换电路的工作模式为通道(B)运行，开关量输入接口(P2.1、P2.2)的输入信号均为高电平，则A/D转换电路的工作模式为通道(A、B)均运行。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的测量模式(103)包括步骤(1031)，进入系统自检调试，此时外部提供测试条件电压为0～1V，连接至运算放大器输入端，执行步骤(1032)、测试(AIN1～AIN4)，执行步骤(1033)、通过输出接口(P0、P2)口输出至液晶显示对应的电压读数值，执行步骤(1034)、测试输入接口(P1.0～P1.3)的输入信号，执行步骤(1035)、测试通信接口，发送数据，执行步骤(1036)、接收测试码。
全文摘要
一种基于片上系统的色谱数据采集装置包括输入端与色谱仪相连接的运算放大器(2、3)，及一连接于运算放大器(2、3)的输出端的微控制器(1)、所述的微控制器(1)内集成有单片机、两个独立的A/D转换电路、串行通讯接口，所述的A/D转换电路分别设有通道(A、B)，所述的微控制器设有若干开关量输入、输出接口，分别输入色谱仪分析的起始信号、停止信号、运行模式控制信号、输出通道控制信号。由于微控制器内含有高精度、宽测量范围的∑－ΔA/D转换电路、微控制器、存储器和数字接口电路，因此只需一片微控制器即可实现A/D模数转换，将色谱仪的模拟信号转换为数字信号，并进行积分计算，同时还可以作为数据传送等接口电路。
文档编号G01N30/86GK1409108SQ02136929
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月10日 优先权日2002年9月10日
发明者王志宏, 陆颖凯, 王越 申请人:上海市计算技术研究所