摘 要： 論述了一種容錯采集系統的設計方法，通過在串行A/D轉換器MAX110的中斷服務程序中使用軟件定時器，實現了對MAX110意外停止轉換的故障恢復，確保了MAX110自動連續轉換功能的容錯性，可提高數據采集系統的可靠性。
關鍵詞： 容錯 串行A/D轉換器 軟件定時器
在工業過程控制系統的設計中，與工業現場環境相聯系的接口電路的設計在保證性能的同時，要求有較高的可靠性和性能價格比。對于模擬輸入通道的設計，串行接口的模擬數字(A/D)轉換器愈來愈受到設計者們的關注。串行接口A/D轉換器接口電路設計簡單、芯片體積小、信號線大大減少、易于采取隔離措施，而且許多串行接口芯片的工作模式可編程、設計靈活。其中，MAXIM公司的二通道±14bit串行ADC MAX110在從串行接口讀取數據的同時還完成下一轉換過程控制方式數據的寫入(包括轉換啟動控制)，這樣便可實現數據的自動采集；在程序設計時，數據采集進程獨立設計，數據按預先設定的方式自動存儲到循環隊列中，完成和主進程的數據交換，給系統程序的設計提供了很大的方便。但由于系統受環境的干擾，A/D轉換器控制數據可能會出錯，導致ADC意外停止轉換，使數據采集進程停止，本文提出了針對這種故障的容錯[1]設計方法。
1 基于串行A/D轉換器MAX110的數據采集系統的結構
工業過程控制的許多慢過程，對A/D轉換器轉換速度要求較低，所以選用慢速A/D轉換器便可以滿足設計要求。±14bit串行ADC MAX110BCPE轉換時間可達到10ms，且可編程控制，精度和速度也可以滿足如溫度控制對象的數據采集要求。作者在設計適用于溫度控制的模糊智能調節器的過程中，數據采集部分使用了基于串行ADC MAX110的具有容錯功能的數據采集設計方法。系統結構如圖1所示。
模擬信號隔離可選兩種方法：選用模擬隔離放大器或在A/D的數字接口采用光電隔離。模擬隔離放大器價格較高，所以選擇數字隔離方法，而采用串行A/D可大大減少數字信號隔離路數。如圖1所示，串行A/D轉換器MAX110的數字側與微處理器全部采用了光電隔離器件，將MAX110的數據輸入輸出信號、時鐘信號、轉換結束中斷請求信號由PC817實現電氣的隔離。在后續的模擬通道中采用了多路開關CD4051選通輸入的各路模擬信號，其中通道選擇信號也采取光電隔離的方法，這樣使A/D轉換器之后的所有電路都與微處理器部分隔離。
2 A/D異常停止轉換故障的自動恢復原理
2.1 串行ADC MAX110的控制與數據傳遞
串行ADC MAX110的轉換方式和標定由芯片控制字確定，控制字確定了MAX110 A/D轉換的通道、速度等各種工作方式。MAX110 的控制字包含：轉換時間控制，SCLK與過采樣頻率的比率控制、輸入通道選擇、增益標定控制、內部振蕩器掉電控制、模擬部分掉電控制。每次轉換按新送入的控制字工作。控制字格式及控制字作用見表1。
MAX110采用與MicrowireTM SPITM QSPITM串行接口通訊協議(SPI: Serial Peripheral Interface， QSPI: Quick SPI)兼容的串行接口標準[3]。其時序實現如圖2所示。當微處理器檢測到MAX110轉換完標志BUSY變高時，AD中斷產生，中斷服務程序首先將串行時鐘信號SCLK初始化為0，再將MAX110片選信號CS 置低，開始串行數據的全雙工傳輸：送MAX110轉換命令字，同時接收MAX110轉換結果。數據的發送和接收過程是：首先，微處理器將要送命令字的最高位送到MAX110接收命令字的引腳DIN，然后將SCLK置高，MAX110利用SCLK時鐘信號的上升沿將命令字最高位讀入；這時微處理器將MAX110的轉換結果最高位讀入。微處理器再將SCLK置低，使SCLK出現下降沿；MAX110在下降沿將轉換結果的第二位送到DOUT引腳，微處理器將命令字的第二位送到DIN引腳，再將SCLK置高，MAX110利用SCLK 的上升沿讀入命令字的第二位；微處理器讀入MAX110轉換結果的第二位。如此循環直到將十六位數據接收完畢，命令字寫完畢，完成數據交換，最后將CS引腳置高。當MAX110的CS引腳被置高時，MAX110開始新的轉換，轉換的工作方式由剛接收到的命令字確定。微處理器A/D中斷結束，直到MAX110下一次轉換結束時間的到來。
2.2 A/D異常停止轉換故障的檢測及自動恢復
A/D轉換器MAX110的啟動包括標定和轉換控制字的設置，耗時較長，設計時將MAX110設置為連續轉換方式，本次轉換啟動下次轉換，下次轉換的轉換控制字由本次提供，這樣MAX110就可以連續產生采集數據中斷，實現數據的自動采集。但這種轉換方式有可能出現A/D轉換停止的故障。因為系統受到外界干擾時，可能會影響到某些數據線信號波形的偶然畸變，而串行A/D MAX110每次轉換都建立在收到正確轉換命令的基礎上，如受到干擾，轉換命令字錯誤，有可能導致MAX110停止轉換，或者進入休眠方式或模擬電路電壓切離的低功耗方式，這樣系統將停止數據采集。
解決這種停止轉換故障的方法如圖3所示。在數據的自動采集過程中，下次轉換的正常工作建立在本次正確送入控制字的基礎上，所以在微處理器的軟件定時器中設置一個按一定時間間隔不停增長的計數器ADRUN，在A/D轉換中斷服務程序中將ADRUN計數器值清零。若A/D正常轉換，ADRUN計數器的值將保持在某一范圍內；若A/D停止正常轉換，ADRUN計數器的值將超出預先設定的范圍。在系統程序的主循環中每次判斷ADRUN計數器的值，若ADRUN計數器超限，說明MAX110停止轉換，隨即將MAX110重新初始化，使數據采集模塊恢復正常工作，同時在系統的故障數據庫中做出記錄以備分析。這種設計方法保證了數據采集模塊的穩定運行，使系統具備了一定的容錯功能。
本文論述的容錯數據采集系統已在自行設計的以Intel 80C196為微處理器的智能調節器中使用和測試。測試時，給數據采集系統注入故障，使AD采集進程停止工作，實驗證明，在預先設定的時間內，故障得以排除并記錄了故障情況，數據采集正常進行。但這種容錯設計方法的可靠性依賴于探測故障時所使用的定時器的可靠性，若定時器異常停止工作，系統將不能檢測到A/D轉換的故障。
參考文獻
1 Vincenzo piuri.Design of Fault－Tolerant Distributed Control System.IEEE transactions on instrumentation and measurement,April 1994;43(2)
2 Isermann, Rolf.Model based fault detection and diagno－sis methods.Proceedings of the American Control Conference，V3，1995：1650～1609
3 Maxim Integrated DataSheets.Maxim Integrated Products Inc. 1997
4 Application Note－Using the 80C196KB.Intel Corporation, November 1990