電導率儀與PC通信接口電路設計

傅淑霞

(東南大學電工電子實驗中心，江蘇南京211189)

DDS-11A型電導率儀是一款測量水溶液電導率的高性能儀器。它廣泛應用于污水處理、環境監測、礦山冶金，質量監督等行業以及高等院校的化學實驗室[1]。該電導率儀具有數碼顯示、響應迅速、讀數清晰和使用方便等特點[2]。然而，在某些情況下，需要長時間觀測大量的數據樣本，并將這些樣本傳送到PC機上進行分析處理。由于DDS-11A缺乏與PC機通信的接口，這一個過程往往耗時費力。為此，本文設計了一套基于MSP430單片機的高性能電導率儀與PC機的通信接口電路，實現了DDS-11A電導率儀采集數據，并傳輸到PC機上進行高效的自動化處理。

1 系統硬件設計

系統的硬件部分主要由三部分組成:信號調理部分、單片機部分和串行通信部分[3]。此外，硬件電路部分還采用AMS1117-3.3來提供5V轉3.3V電壓的轉換以供單片機使用。

1.1 信號調理部分

DSS_11A型電導率儀的輸出是0-20mA的直流量，而單片機 A/D 采樣的范圍為0～2.5V[4]。為了盡可能利用A/D的精度，需要將微弱的直流信號進行增益為40dB的放大。本系統選用美國德州儀器公司TI的精密低失調運算放大器OPA735來完成。該運算放大器具有失調電壓低，溫漂小和功耗低等優點，非常適用于單電源供電的弱信號放大系統和電子測量系統等。該部分的原理圖如圖1所示。

圖1 信號調理部分原理圖

1.2 單片機部分

我們采用TI公司的高性能單片機MSP430F2619具有RISC指令架構，運算速度快，功耗低，內部集成12bit高精度A/D轉換器和UART協議的串行通信外設，可以滿足多種場合的應用需要。

1.3 串行通信部分

串行通信部分和PC機的接口采用USB接口。由于MSP430單片機的輸出是使用UART串行協議的輸出，因此需要使用USB轉串芯片來進行USB協議和UART串行協議的轉換。這里采用常見的一款USB轉串芯片PL2303HX。該芯片的輸入是3.3V的UART協議的電平，輸出是USB協議的通信數據。該芯片在Windows下的設備為一個串口，開發方便。該部分的原理圖如圖2所示。

圖2 串行通信部分原理圖

2 系統軟件設計

系統的軟件設計包括上位機和下位機兩部分。

上位機采用Visual Studio 2008開發的MFC程序，主要功能是接收采集的數據，并將接收到的數據和接收時間存入到數據庫文件里面，可在PC機的Windows環境下運行。

下位機是采用IAR5.5開發的C程序，主要功能是使用A/D采集數據，將數據發送給USB轉換芯片，這部分程序主要在MSP430單片機上運行。

2.1 上位機部分

上位機與下位機必須遵循相同的通信協議才能進行通信。因此，上位機與下位機所有的命令都需依照相同的幀格式進行。每幀都是以0xEF開始，0xFF結束。在開始符號與結束符號之間是上位機發給下位機的命令和下位機返回給上位機的數據。由于USB轉串在PC機上面的設備是一個虛擬的串口，所以上位機通過win32的串口API函數來與下位機進行通信。波特率設置為115200。上位機分兩個部分，串口處理部分和數據庫處理部分。對于串口處理的部分，程序使用InitPort函數來初始化串口，使用Settimer函數來初始化定時器來定時發送采集命令。對于數據庫處理的部分，程序初始化的時候打開數據庫文件，在串口接收到數據的時候將數據寫入數據庫，并記錄保存數據的時間，以方便處理。上位機的程序流程圖如圖3所示。

圖3 上位機處理流程圖

2.2 下位機部分

下位機部分主要完成A/D數據采集和串口發送。A/D部分采用AD0通道，2.5V內部參考電壓，通過設置ADC12CTL0寄存器的ADC12SC位來啟動12bitA/D轉換器的采集。UART串口部分的設計中采用SMCLK作為UART外設的時鐘，波特率設置和上位機一樣為115200。接收采用中斷接收的方式。當下位機收到來自上位機的中斷命令時，UART便進行數據采集，采集到的數據分兩次送入發送緩存器UCA0TXBUF中[5]。最后填入幀的結束標志發送。該部分流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 下位機處理主程序流程 圖5 下位機中斷程序處理流程

3 結語

本文針對DDS_11A型電導率儀的缺點，利用單片機為核心設計了一款高性能，低功耗的通信接口電路，實現了DDS_11A電導率儀采集數據并傳輸到PC機上的自動化。經過實際測試，本接口電路性能良好，提高了數據采集的效率。

[1]戴鳳梅.數字式電導率儀的改進使用[J].上海:上海計量測試.2007，34(3):33.

[2]鐘娜.DDS-11A型電導儀的使用維修[J].沈陽:企業標準化.2004，(12):47.

[3]吳懷超，周勇.基于虛擬儀器和MSP430單片機的數據采集系統的開發[J].蘭州:化工自動化及儀表.2011，38(1):52-55.

[4]李斌，鄒家焱.基于MSP430單片機的錄井無線數據采集系統的設計[J].沈陽:儀表技術與傳感器.2011，(6):69-71.

[5]蘇維嘉，王旭輝.基于MSP430單片機的數據采集系統[J].西安:現代電子技術.2007，(23):117-119.