多路选择器的硬件设计与研究

【摘要】多路选择器是一种对从工业现场采集来的多路模拟信号进行选择的重要器件，也称多路开关。本文旨在用数片模拟多路选择集成电路（如CD4097、CD4067）及微处理器ADuC834等器件设计出一种多路选择器。它能在20路模拟信号传送过程中，根据需要将其中任意一路选择出来供给模数转换器转换，从而大幅度的提高相关硬件资源的使用效率，节约硬件成本。

【关键词】多路选择器；模拟信号；集成电路；微处理器；模数转换器

1.引言

温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测仪表作为温度计量工具，因此也得到广泛应用。随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已经广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。

往往在许多应用场合需要对多点温度进行检测，于是温度巡检系统便应运而生。整个系统包括：温度采样电路，滤波放大电路，多路选择装置，模数转换器，微处理器，显示电路，键盘操作电路。其中多路选择装置的设计好坏直接影响到模数转换器对现场采集来的多路模拟信号的及时接收与转换。本文采用多路选择集成电路CD4097，CD4067及微处理器ADuC834等器件设计出一种多路选择器，其性能稳定可靠，能实现20路到1路的选通。

2.主要器件介绍

2.1 CD4097

CD4097为双路8选1模拟选择器，可以作为模数转换器ADC的输入通道选择器。表1为CD4097真值表。由真值表可知，当INBIT=1时，CD4097将关闭所有通道，当INBIT=0时，A、B、C的不同组合将会有不同的X、Y端口和COMX、COMY连通，实现通道选择。

2.2 CD4067

CD4067与CD4097一样也是一种多路开关，不同之处在于CD4067是单路16选1的模拟选择器。表2为CD4067真值表。

2.3 微处理器ADuC834

为了实现巡检系统的小型化，选用了ADI公司的ADI MicroConverter系列精密模拟控制器的ADuC834作为中央处理器。

ADuC834融合了多种精密模拟功能，基于8052MCU内核，内置62KB闪速程序存储器和4KB片内数据存储器，一般不需要外界扩展存储器，内部集成有两路200μA∑-模数转换器ADC，一个是24位主ADC，另一个是16位的辅助ADC。ADuC834内置的滤波器和可编程放大器，在没有外部放大器和滤波器的情况下，可以直接输入±20±2.56V的电压信号，具备电源监视器和看门狗定时器，能够有效确保巡检系统的可靠运行。ADuC834可工作在外部32kHz的晶振下，通过一个片内锁相环PLL产生一个12.58MHz的高频时钟，该时钟可以通过一个可编程时钟分频器发送到片内8052。片内的8052是一个优化的单指令周期MCU。该MCU在保持和8051指令系统兼容的同时，具有12.58MIPS的性能。ADuC834开发工具简单，目前流行的单片机开发环境Keil-uVision4支持在线硬件仿真，不需要额外的仿真器及下载器，通过PC机串口即可进行在线调试和下载程序。

3.硬件连线原理图设计

该温度巡检系统中温度采集部分采用铂电阻，铂电阻采用四线制接法，在四根导线中，其中有两根导线用于连接恒流源。ADuC834内部集成恒流源通过程序设置从P1.2引脚流出，另一端连接到芯片内部模拟地AGND上，根据以上电路特点，采用CD4067作为恒流源流向切换，铂电阻另一端全部短接到ADuC834的模拟地AGND上。

该巡检系统共有20路温度测量信号，因此需要设计一个20选1的多路选择器。根据测量原理可知，需要2片CD4067，3片CD4097，组合完成相应的硬件电路的设计。图1为20选1的多路选择器的硬件连线原理图。

4.硬件连线原理图解释

硬件连线原理图中的3片CD4097的A、B、C引脚分别连接ADuC834的P1.0、P1.1、P1.3引脚。第一片CD4097的INBIT引脚接P3.3引脚，P3.3、P3.4引脚经与非门NAND连接到第二片CD4097的INBIT引脚上。第三片CD4097的INBIT引脚接P3.4引脚。两片CD4067的A、B、C、D引脚分别连接ADuC834的P1.0、P1.1、P1.3、P3.3引脚。第一片CD4067的INBIT引脚接P3.4引脚，同时P3.4经反相器NOT连接到第二片CD4067的INBIT引脚上。P1.0、P1.1、P1.3、P3.3负责通道选择。两片CD4067的COM引脚连接到ADuC834的P1.2引脚，恒流源电流流入COM引脚。TR01-3～TR20-3引脚为恒流源流出端，分别连接到20只铂电阻的A端，20只铂电阻的B端流出电流，短接后连接到AGND。经CD4067选择，在TR01-4～TR20-4中每一时刻有一路输出恒定电流，流入Pt100铂电阻；TR01-3～TR20-3分别连接到20只铂电阻的A端，TR01-2～TR20-2分别连接到20只铂电阻的B端。COMX、COMY引脚分别连接到ADuC834的AIN1、AIN2引脚上，通过通道选择在CD4097内部将TR01-3～TR20-3中的一路和COMX连通，TR01-2～TR20-2中的一路和COMY连通，将铂电阻上的电压输入到模数转换器ADC中。SA、SB、SC、SD、EN为ADuC834的输出信号，对通道进行编码，每一时刻有唯一的通道选通，供模数转换器ADC采集数据。通道选通编码如表3所示。

5.结语

本文利用2片CD4067，3片CD4097及微处理器ADuC834等器件设计出一种20选1的多路选择器。它能够将20路模拟信号通过分时操作分别与一个模数转换器ADC连通，从而达到对多路信号进行模数转换的目的，使得硬件电路连接简化和微处理器等相关硬件资源的利用率得到大幅提高。因此多路选择器的硬件设计具有重要的意义。

参考文献

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作者简介：姜雷杰（1988―），男，江苏泗阳人，西安工程大学机电工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电控制与自动化。