引 言

智能測量儀器作為信息獲取工具，是一種集多個門類、多種學科技術于一體的復雜有機體。隨著測試技術、計算機技術和大規模集成電路技術的飛速發展，現代智能測量儀器不但對功能、性能、精度和指標的要求越來越高，而且對系統可靠性、可維修性的要求也越來越高。因此，這就要求測量儀器具有完備的內建測試(build intest，BIT)功能以及自我調節和補償能力，以使測量儀器系統本身具備測試、診斷和故障定位的能力以及適應各種環境、溫度和器部件性能變化的能力。

但是，智能測量儀器要具備這些測試、診斷以及調節、補償能力，必須首先對整個測量儀器工作狀態進行監測，然后通過對這些節點的狀態進行分析和處理，從而進行進一步的故障定位或調節補償。這些狀態主要包括環境溫度以及電路板上各關鍵電路節點的電壓、電流、功率等，由于都是模擬量，故常稱這些分布在電路板上的觀測節點為模擬節點。可見，對智能測量儀器工作環境以及各關鍵節點模擬量的檢測是智能測量儀器內建測試以及調節補償的前提和基礎，也是智能測量儀器可測性設計的重要一環，需要認真對待。

下面介紹一種基于串行總線的智能測量儀器模擬節點信號監測電路的沒計思想和設計方法。

1 模擬節點信號監測設計原理

典型的電路板模擬節點監測電路通常由信號檢測通道、信號調理電路、多路選擇開關、采樣／保持電路、A／D轉換電路以及處理器接口和控制邏輯等構成，如圖1所示。

信號檢測通道主要用來探測電路板上各探測點的溫度、電流、電壓等模擬量，通常針對不同探測對象而使用不同的傳感器、檢波器或相關電路將待檢測信號轉換成一定的電流或電壓信號。

信號調理電路是為了保證A／D轉換的精度而在模擬輸入信號進入A／D轉換器之前首先進行的必要處理，以有效濾除不需要信號的影響，改善信號質量，提高信噪比，增強信號的抗下擾能力，保證輸入信號符合A／D轉換器并處于其最佳轉換范同。信號調理所采用的技術通常包括增謐放大、衰減、濾波、整流、檢波信號轉換等。多路開關是為了簡化電路和降低成本而保證多個模擬節點共用同一個A／D轉換器而設計，以方便通過軟件實現對某一路模擬艟的轉換。多路開關常用的有機械觸點式和電子式2種，通常需要根據通道數目、輸入方式(單端還是差分輸入)、電平高低、切換時間及穩定時間、通路問所允許的最大串繞誤差以及控制方式等加以綜合考慮選擇。

當模擬節點輸入信號的頻率較高時，為減小A／D轉換的孔徑誤差常設計使用采樣／保持電路。采樣保持器通常根據輸入信號范圍、輸入信號變化率、采樣開關切換速度以及采樣誤差的允許范圍等選擇。如果輸入模擬信號頻率較低，A／D轉換相對足夠快或A／D集成了采樣保持器時則可以省略采樣保持器的設計。

A／D轉換器足模擬輸入通道的關鍵器件，用來將模擬信號轉換成數字信號，以便由處理器進行一系列的后續處理。A／D轉換器件種類很多，選擇時需綜合考慮分辨力、轉換精度、轉換速度和功耗等指標。一般地，A／D轉換器位數選取應根據被測電路的模擬輸入信號的變化范圍和A／D轉換器量化誤差及量化噪聲等綜合考慮。

2 基于串行總線的模擬節點信號監測設計

現代測量儀器智能化程度和性能指標越來越高，越來越多地使用軟件進行性能指標的調節、校準和補償，同時越來越多地需要實時監測整個儀器的工作狀態，以提高系統的町靠性，故對模擬節點數量需求越來越大。此外，現代智能測量儀器正迅速向低功耗、低成本、小體積、高性能、高速率方向發展，電路集成度越來越大，成本越來越低，尺寸越來越小，頻率也越來越高。作為測量儀器的輔助支撐電路，如何在滿足功能和性能的前提下盡可能減少電路板面積占用、減小對其他電路的電磁干擾等影響，一直是設計者不斷追求的目標。可見，基于并行總線的傳統模擬節點信號監測設計思想已經不能滿足需要。

隨著串行總線接口技術的誕生和不斷成熟，其簡單的接口、較高的數據傳輸效率、靈活的互聯方式以及其可擴展性能力使得在電子領域及測試領域得到迅速推廣和應用。與并行接口相比，串行接口減少了引腳數目，降低了接口沒計的復雜性，減小了電磁輻射和體積。

串行接口通常提供全雙工同步操作，數據以位為單位進行串行輸入輸出。各元器件生產廠家紛紛推出了基于串行總線的器件，越來越多的處理器也開始集成相應的串行通信接口，并兼容一些流行的串行總線。因此，在精度、速度、分辯力等指標許可的前提下，選擇多通道以及具有采樣保持器串行ADC以及其他串行器件搭建基于串行總線的測量儀器模擬節點方案無疑是一種理想的選擇。基于這種串行總線的模擬節點電路設計如圖2所示。

在智能測量儀器中，模擬節點通常分布于儀器的各個電路板和功能模塊，而每塊電路板和功能模塊又可能包括多個模擬探測節點。

為此，在設計中往往根據模擬節點的數量選擇使用一片或多片多通道串行A／D芯片(如AD公司的AD7812等)構成每塊電路板或功能模塊的模擬輸入通道，而不同電路板或功能模塊上的串行設備均掛接在同一串行總線上，由處理器通過控制總線及譯碼邏輯來選擇相應的模擬輸入通道并控制相應串行設備的工作。此外，在具體的設計中，往往還可以利用串行總線進行一些輔助電路設計：如利用一些串行D／A轉換器構成模擬輸出通道，以根據需要產生合適的模擬信號，實現對電路板相關電路的校準與補償；設計掛接一些串行E2PROM存儲器，用來存儲相關通道的校準與補償參數，等等。如圖3所示。

3 基于串行總線的模擬節點信號監測設計要點

3．1 串行總線連接

目前，世界各主要半導體制造商提交了多種不同的串行協議，比較典型的有以Motorola公司為代表的SPI(se-rial peripheral interface：串行外圍設備接口)、以Philips公司為代表的I2C(Inter IC)以及國家半導體公司為代表的MICROWIRE總線(微總線)等。其中，SPI是一種高速4線同步串行外設接口總線，1條用于串行移位時鐘SCK，1條用作從使能信號(SS)，另外2條數據線分別用于數據的收發(MISO和MOSI)，采取主從式通信方式、全雙工傳輸。傳輸速率由主控設備編程決定，可選擇移位率、主從模式以及時鐘的極性和相位等；I2C總線是一種用雙向2線串行總線，1條串行數據線(SDA)和1條串行時鐘線(SCL)，采用主從方式的同步通信方式，在通信過程通過地址確定通信對象，每個I2C器件都有一個唯一的地址，每個器件既可發送也可接收，是1種多主總線；MI-CROWIRE總線是一種3線同步串行接口總線，1條時鐘線(SK)和2條數據收發線(SO和SI)。

串行總線引腳較少，連接非常簡單。口前，很多處理器都直接集成了前述的串行總線接口，可以直接與相應接口的串行設備相連。而在一些高端處理器巾，更是提供了更加靈活的可編程串行接口，如Motorola公州高端DSP處理器大都集成了可編程SSI串行同步通信接口，而TI公司的高端DSP處理器大都集成了可編程McBSP多通道緩沖串行接口，這接口不但具有與標準串行接口相同的基本功能，還可配置成通用輸入輸出(GPIO)接口，因此可以方便地與SPI、I2C和MICROWIRE等兼容設備直接連接。

以McBSP多通道緩沖串行接口為例：通過配置McB-SP的工作模式，McBSP可兼容SPI、MICROWIRE等協議通信。當McBSP被配置為時鐘停止模式時，可兼容SPI和MICROWIRE總線協議，此時發送器和接收器在內部是同步的，故可將McBSP作為SPI主設備或從設備。當設置McBSP為主設備時，可將發送數據幀時鐘(FSX)用作SPI從設備使能信號(即SS)，而將發送數據位時鐘(CLKX)用作SPI協議中串行時鐘信號(SCK，MI-CROWIRE沒備的SK)。當連接I2C設備時，可將McBSP配置成GPIO模式，將McBSP的CLKX和FSX與I2C總線設備的SCL和SDA相連，利用軟件模擬I2C總線協議。McBSP為主沒備時，幾種通信模式下的典型連接關系如圖4所示。

在智能測量儀器中，通常選擇處理器為主設備，而將各串行器件作為從設備，因此大都采取上述連接方式。針對不同的處理器，其連接方式略有不同。而對沒有提供相應串行通信接口的處理器，也可以按照串行設備的工作時序來通過GPIO接口編程或利用可編程邏輯器件進行模擬實現。

3．2 通道擴展與多片連接

現代智能測量儀器電路板模擬節點數量很多，而且往往還需要利用串行總線構建模擬輸出通道和存儲系統，這就需要在同一套串行總線上設計掛接多片乃至多種不同型號、不同總線形式的串行器件。如圖5所示。

不同串行設備的工作時序不盡相同，為保證處理器與串行設備之間的通信需要對串行總線通道進行必要的初始化設置。這些設置主要包括設備的主從模式(通常設置處理器為主設備)、移位率、時鐘極性和相位等屬性對利用GPIO接口編程模擬串行總線的應用，還需要根據串行器件的時序特點編程設置相應的輸出／輸出管腳和工作時序。

串行ADC通常通過其內置控制寄存器以控制字的方式來實現一系列的控制操作，如采樣模式、參考選擇、通道選擇以及A／D轉換等。針對擬選擇的模擬節點，通過軟件控制相關電路完成信號調理后，對鎖存器相應位進行操作來選擇相應的串行ADC工作，利用串行總線向串行ADC寫入控制字來啟動對指定模擬節點信號的轉換操作(如果支持軟件啟動)。

處理器通過串行總線接口讀取轉換數據，進行必要的運算和處理后獲得模擬節點監測信號的真實結果，從而進行相應的操作和處理。

在具體的編程中，串行總線應根據串行ADC的具體總線接口形式和時序特點進行設置，這一點務必注意，以免無法建立通信連接。不同串行ADC的讀寫時序不盡相同，編程時需要格外注意。此外，通過串行總線進行讀寫操作時，需要根據讀寫數據的位數保證足夠的時鐘個數，以免無法正常讀寫。

對于掛接在總線的其它設備的控制操作，可根據具體設備的特點，參考類似的方式予以編程實現。

4 結束語

基于串行總線的模擬節點設計方案不但實現簡單，成本低廉，而且還具有電磁輻射小、體積小、可擴展能力強等優點，可以方便、靈活地根據實際電路的需求進行通道擴展。基于這種設計思想的軟硬件方案已經從事的系統中已經得到廣泛應用，并取得了令人滿意的效果。