AD7705在万能试验机数据采集中的应用

摘 要：针对目前低档液压式万能试验机存在的问题，结合试验站的实际情况，设计采用计算机集中管理分散控制模式的技术改造方案。该方案使低档液压万能试验机实现了试验数据采集及控制的自动化，实践证明该系统的测量精度达到±0.5%FS，完全满足国家对试验机检定的技术标准（测量精度±1%FS）要求。结合ad7705在万能试验机数据采集中的应用，详细介绍了AD7705与MCS51系列单片机的硬件接口设计和软件设计中应注意的问题，给出单片机对AD7705实现读、写操作的源程序。本测控系统采用集散控制技术，充分利用系统的硬件资源；数据采集采用双通道A/D转换器AD7705，简化了常规的信号调理环节，提高了系统的可靠性。

关键词：万能实验机；A/D转换；有效分辨率；数据采集

中图分类号：TP368.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1617403

Application in Data Acquisition of Universal Testing Machine Using AD7705

LIU Junfu,LIU Jin′e

(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang,050035,China)

Abstract：In view of the problems with the current lowgrade hydraulic universal tester,incorporated with the actual situation of the experimental station,technological transformation schemes based on centralized management and distributed control are designed.Automatic data acquisition and automatic control are achieved for the modified testing machine.The measuring accuracy is ± 0.5% FS.It fully meets the National Verification technical standards (measuring accuracy of ± 1% FS).Incorporated with the application of AD7705 in the data acquisition of universal testing machine,the questions that should be noticed in the hardware interface between AD7705 and the MCS-51 series SCM & software design are mainly introduced.The source program of SCM is given for reading & writting AD7705.The key technical points of this measurement and control system:distributed control technology is used,the system's hardware resources are fully used;the dualchannel AD converter AD7705 is used in data acquisition,which simplifies the conventional signal conditioning link,thereby the reliability of this system is improved.

Keywords：universal testing machine;A/D conversion;peaktopeak resolution;data acquisition

目前，我国液压式万能试验机按测量技术可分为低档和高档。高档机以微机控制液压式万能试验机为代表，但其价格昂贵。低档机则是以测力油缸和杠杆摆锤测量力值系统的液压式万能试验机。这类试验机的液压和机械部分有很强的试验能力，但其控制系统都比较单一、自动化程度低，其测控系统已成为阻碍其试验能力和自动化程度提高的关键制约因素［1］。石家庄市建设局2004年拨资金并立项“试验机智能控制器研究”，要求对这类材料试验机采用计算机技术进行改造，以大幅度地提高试验机的试验能力、检测精度和自动化程度。

技术改造的关键是测量数据的自动采集及加荷速度的自动控制。为了提高系统精度，数据采集采用A/D公司推出的由缓冲器和增益可编程放大器、ΣΔ调制器、可编程数字滤波器等组成的16位双通道A/D转换器AD7705，它能够直接将传感器检测到的微小信号进行A/D转换，其具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，适合于数据采集系统中信号处理的需要。

1 系统硬件设计

每个试验站一般都有多台试验机，为了降低测控系统的成本，系统采用集中管理分散控制模式，即由1台上位机(PC机)、多台下位机(单片机)组成。下位机采用单片机技术，构成智能式现场测量控制系统，实现试验数据的自动采集及加荷速度的自动控制。微型计算机具有容量大，易于进行大量的数据处理、存储和输出等特征。而单片机系统集成度高、功能强、成本低廉、体积小，恰到好处地弥补了微型计算机系统体积大、操作繁琐、成本高、不宜推广等缺陷。这种控制模式充分利用系统的硬件资源，实现上位机、下位机的优势互补，提高了系统性能价格比，符合本系统的设计宗旨。系统组成如图1所示。

2 数据采集通道设计

本系统需要采集实验过程中压力、位移（棒料实验）2个数据，经研究及查阅相关资料，A/D转换器确定采用AD7705，它具有2 个全差分输入通道，16位无丢失代码，0.003%非线性，可编程增益：1～2.7；串行数据接口包括5个：片选输入口CS，串行施密特逻辑输入时钟SCLK，数据输入口DIN，转换数据输出口DOUT，数据准备就绪状态信号输出口DRDY［2］。

每个下位机系统只有1片AD7705，为了节省单片机的I/O线，CS端通常接低电平，配置成三线连接方式。为了提高系统运行速度DRDY输出引脚接至CPU的INT0以中断的方式读取数据。由于MCS51系列单片机的串行接口用于与上微机的通信，因此，只能利用单片机的I/O口通过软件模拟的方法，实现与带有串行接口的I/O芯片的联接。实现的方法是利用MCS51系列单片机的I/O口线，控制所连接芯片的串行时钟和数据传送，操作过程由软件控制数据传送以及时序(即各过程的时钟周期)。AD7705的SCLK端接AT89C52的P1.0管脚，数据输入、输出端DIN、DOUT一同接P1.1管脚， DRDY接单片机的INT0管脚，通过中断方式实现对AD7705中寄存器数据的读取。DRDY端也可接普通P1，P2口中未用的管脚，通过软件查询该管脚是否为低电平，实现对AD7705中寄存器数据的读取。AD7705与单片机的连接如图2所示。

单片机（AT89C52）的时钟为11.059 2 MHz。AD7705的主时钟(Y)取2.457 6 MHz，可编程的增益设置为64。AD7705的基准电压取自传（位移、压力）感器的供电电压，如图2所示，经R1，R2（R1=15kΩ，R2=5.6 kΩ）Х盅购蟾AD7705提供约1.3 V的基准电压，因此工作电压的波动不会产生系统测量误差［3］。传感器输出的差分信号(满量程值≤20 mV)可直接送到AD7705中进行模数转换。省去常规的信号调理环节，电路简化，提高了系统的可靠性。

3 软件设计

3.1 上位机软件

上位机软件采用VB 6.0编程，主要由主控界面、系统设置、数据采集（与下位机的通信）、数据处理（计算、存储）、实验报告打印、系统帮助等5部分组成。

3.2 下位机软件

下位机（单片机）的软件包括主程序、初始化程序（中断系统、AD7705、串行通信口等的初始化）等。本文只重点阐述单片机与AD7705数据交换部分的软件。

AD7705共有8个片内寄存器，它们是通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写通信寄存器，然后才能对其他寄存器进行操作。

在编写单片机与AD7705的数据交换程序时，一定要注意AD7705的数据格式，AD7705串行输入、输出的数据MSB在前，对AD7705寄存器进行配置之前必须将命令字按此顺序写入；同样从AD7705数据寄存器中读取到单片机时也要注意数据的排列顺序。数据寄存器是一个16位只读寄存器，它用来存放AD7705的最新转换结果，它由2个8位存贮单元组成，因此必须分成2个8位分别进行排序［4］。另外，对AD7705寄存器进行读写操作，必须严格按照其时序要求操作。AD7705的配置与设计的硬件紧密相关，只有在正确配置的情况下才能正常工作。下面分别给出AD7705的设置及读、写操作子程序。

3.2.1 AD7705初始化子程序

AD7705初始化子程序为：

INIT7705:MOV A, #20H ;选时钟寄存器

LCALL W7705

MOV A, #00H ;20 Hz转换速率

LCALL W7705

MOV A, #10H ;选(1通道)设置寄存器

LCALL W7705

MOV A, #74H ;自校准模式,增益为64

LCALL W7705

RET

通道2的初始化与此类似。

3.2.2 AD7705写操作子程序

AD7705写操作子程序为：

; 写入1 B数据子程序

W7705:CLR P1.0

MOV R7, #08H

W7705-1:MOV C, ACC.7

MOV P1.1, C

RL A

NOP

SETB P1.0

NOP

NOP

CLR P1.0

DJNZ R7, W7705-1

SETB P1.0

SETB P1.1

RET

3.2.3 AD7705读操作子程序

AD7705读操作子程序为：

R7705:LCALL W7705 ;调用写入子程序

MOV R7, #08H ;设置数据位数

MOV R1, #02H ;设置读取字节数

R7705-1:NOP

CLR P1.0

NOP

SETB P1.0

NOP

MOV C, P1.1 ;将数据读入C

RLC A

DJNZ R7, R7705-1

MOV @R0, A

INC R0

MOV R7, #08H

DJNZ R1, R7705-1

RET

3.2.4 INT0中断子程序

INT0中断子程序为：

; 在中断子程序中读取转换结果

INT0:PUSH ACC ;保护现场

PUSH PSW

SETB RS0 ;选1区工作寄存器

CLR RS1

MOV A, #38H ;1通道数据寄存器

MOV R0, #30H ;设存储单元首地址

LCALL R7705 ;调读数据子程序

MOV A, #39H ;2通道数据寄存器

MOV R0, #40H ;设存储单元首地址

LCALL R7705 ;调读数据子程序

POP PSW ;恢复现场

POP ACC

RETI ;中断返回

4 结 语

AD7705以其本身的低价格、高精度、可编程增益、自校准、小信号的转换不需附加另外的器件，使得其在数据检测领域具有很大的应用前景。本系统应用AD7705对压力、位移信号的处理及数据采集，能够在同一时刻采集到位移、压力的数值，为数据的处理、分析带来极大的方便，性能指标达到预期的效果。系统的造价低廉、性价比高、适合于各试验站的设备改造，与购置同样功能的新设备相比，每台可节约2～4万元资金，更适合于我国的国情。

参 考 文 献

［1］张峰. 材料试验机系统的测试自动化［J］.马钢科研,1999(1):3340.

［2］敖振浪，李源鸿，谭鉴荣.16位模/数转换器AD7705及其应用［J］.成都信息工程学院学报,2003(3):281286.

［3］何利民.单片机应用技术选编(9)［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2004.

［4］陈勇钢,吴伯农.16位∑Δ模/数转换器AD7705及其校准［J］.现代电子技术,2006,29(7):124126.

［5］AD7705/AD7706 Data Sheet.Analog Devices.

［6］胡志高.AD7705/06及其应用［J］.电子产品世界,2000(10):3637.

［7］赵佩华.单片机接口技术及应用［M］.北京:机械工业出版社,2005.

作者简介 刘俊伏 女，1968年出生，硕士、副教授。主要研究方向为计算机控制、机电一体化。