摘 要： 以ATmega128單片機(jī)在鋼水液位監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)處理子系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)對(duì)模擬量、數(shù)字量以及開關(guān)量的采集與處理過程，用LCD顯示模塊顯示數(shù)據(jù)和狀態(tài)的方法說明了一些為節(jié)省單片機(jī)引腳資源而采取的設(shè)計(jì)技巧，通過軟件與硬件的結(jié)合，使信號(hào)的處理效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： ATmega128；單片機(jī)；信號(hào)處理

在鋼鐵冶金的連鑄生產(chǎn)過程中，維持結(jié)晶器中鋼水液位的基本穩(wěn)定對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著舉足輕重的作用。鋼水液位高度的波動(dòng)太大會(huì)使結(jié)晶器中的保護(hù)渣等夾雜物帶入鋼水中，不僅影響鑄坯的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鋼水溢出等重大生產(chǎn)事故的發(fā)生。為了提高鋼坯的產(chǎn)品質(zhì)量，避免生產(chǎn)事故，降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，就必須有一套高精度的鋼水液位控制系統(tǒng)，使結(jié)晶器中鋼水液位高度波動(dòng)范圍控制在5 mm以內(nèi)。
結(jié)晶器的鋼水液位控制系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：(1)信號(hào)檢測(cè)與放大子系統(tǒng)；(2)信號(hào)處理子系統(tǒng)；(3)PLC及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)。其中(1)、(3)兩個(gè)子系統(tǒng)的功能相對(duì)單一。信號(hào)檢測(cè)與放大子系統(tǒng)的主要功能是通過電渦流傳感器及其高精度放大器把鋼水液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)；PLC及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)的主要功能是與信號(hào)處理子系統(tǒng)通信，發(fā)出開澆命令，接收其應(yīng)答信號(hào)，在開澆過程中根據(jù)信號(hào)處理子系統(tǒng)的輸出電流大小，通過PLC和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制中間包的塞棒開啟度，從而控制注入結(jié)晶器的鋼水流量，使結(jié)晶器的液位高度波動(dòng)范圍小于5 mm。
系統(tǒng)的核心部分是信號(hào)處理子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 信號(hào)處理子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
信號(hào)處理子系統(tǒng)是以ATmega128單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)中的輸入/輸出信號(hào)包括：用來實(shí)現(xiàn)開澆聯(lián)絡(luò)的1對(duì)開關(guān)量——開澆與應(yīng)答；2路通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的模擬量輸入——液位電壓和溫度電流；3路通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的模擬量(圖1中只畫出2路)輸出——液位電流、溫度電流及mV補(bǔ)償。輸入/輸出設(shè)備包括：1個(gè)帶觸摸屏、分辨率為320×240的LCD顯示模塊；4個(gè)按鍵的鍵盤；4個(gè)用來指示狀態(tài)的發(fā)光二級(jí)管；還有1個(gè)用來發(fā)音報(bào)警的蜂鳴器。其主要模塊設(shè)計(jì)方案介紹如下。
1.1 單片機(jī)
單片機(jī)采用Atmel公司生產(chǎn)的8 bit、增強(qiáng)型AVR單片機(jī)ATmega128L，其引腳數(shù)為64個(gè)，I/O端口有53個(gè)，片內(nèi)有128 KB的Flash、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，還有兩個(gè)8 bit的定時(shí)器和兩個(gè)16 bit的計(jì)時(shí)器；具有8路10 bit A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)資源比較豐富，性能可滿足本子系統(tǒng)使用要求。
1.2 鍵盤
為了節(jié)省引腳資源，本系統(tǒng)沒有采用獨(dú)立按鍵方式，而是利用一路片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)4個(gè)按鍵的識(shí)別。通過不同按鍵按下后串聯(lián)接到+5 V的使分壓電阻輸出電壓的不同來識(shí)別不同的按鍵。4個(gè)按鍵的操作分別對(duì)應(yīng)為運(yùn)行(Run)、調(diào)整(Adj)、線性化(Line)、設(shè)置(Set)4個(gè)功能。其中，“運(yùn)行”是指系統(tǒng)的正常運(yùn)行；“調(diào)整”是指在開澆之前，把系統(tǒng)調(diào)整到一個(gè)初始狀態(tài)，具體操作是在液位高度為150 mm時(shí)，通過對(duì)前級(jí)放大子系統(tǒng)及信號(hào)處理子系統(tǒng)的mV補(bǔ)償，使液位電壓值為4.96 V；“線性化”是在0~150 mm的范圍內(nèi)，通過傳感器配合設(shè)定16組不同液位與電壓的數(shù)據(jù)；“設(shè)置”是對(duì)線性化數(shù)據(jù)輸入的確認(rèn)。
1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）
雖然單片機(jī)片內(nèi)有10 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，但由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)模塊量的采集精度要求較高，所以本系統(tǒng)采用了12 bit A/D轉(zhuǎn)換器LTC1291來實(shí)現(xiàn)液位模擬量的采集[1]。這是一種具有兩個(gè)通道的12 bit串位ADC芯片，由于輸入的液位電壓范圍是0~6 V，所以供電電壓設(shè)為6 V。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值量以串行方式提供給單片機(jī)，作為毫伏補(bǔ)償輸入和相應(yīng)液位電流輸出的依據(jù)。
1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）
本系統(tǒng)的D/A有3路，一路是為了調(diào)整初值而對(duì)前級(jí)放大輸出的毫伏補(bǔ)償，另兩路是為了輸出與液位高度(0~150 mm)、傳感器溫度(0~100 ℃)對(duì)應(yīng)的電流4 mA~20 mA。
(1)毫伏補(bǔ)償
輸出毫伏補(bǔ)償電路如圖2所示，其目的是在開澆前，通過補(bǔ)償將液位高度與對(duì)應(yīng)的輸出電壓調(diào)整到一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)值，比如在液位高度為150 mm時(shí)，使前級(jí)放大板的輸出電壓為4.96 V，若高于此值，則進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，低于此值，則進(jìn)行正補(bǔ)償，所以補(bǔ)償?shù)暮练凳强烧韶?fù)的，D/A轉(zhuǎn)換器采用雙12 bit分辨率的LTC1446[2]，輸出運(yùn)算放大器LT1077的供電電壓為±5 V。補(bǔ)償是有限制的，其輸入數(shù)值范圍為0~±150，每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的輸出模擬量大小可通過電位器RS1調(diào)整。

(2)液位電流輸出
實(shí)現(xiàn)將液位高度轉(zhuǎn)換成4 mA~20 mA電流輸出的電路先由12 bit D/A轉(zhuǎn)換器LTC1451[3]將液位高度的數(shù)值量轉(zhuǎn)換成模擬量電壓，然后由AD694輸出相應(yīng)的電流。LTC1451是一種12 bit分辨率串行D/A轉(zhuǎn)換器，從Din輸入的數(shù)字量是A/D轉(zhuǎn)換器采集的液位電壓，從Vout端輸出的是相應(yīng)的模擬電壓，通過電流輸出模塊AD694轉(zhuǎn)換成模擬量電流4 mA~20 mA，從其Iout端輸出。
1.5 LCD顯示屏
LCD顯示屏采用的是分辨率為320×240、帶觸摸屏的LCD模塊，顯示的主要內(nèi)容為系統(tǒng)運(yùn)行界面、工作調(diào)整界面、補(bǔ)償界面和線性化界面及相關(guān)參數(shù)。
(1)系統(tǒng)運(yùn)行界面
系統(tǒng)起動(dòng)或按“Run”按鍵進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行界面，如圖3所示。顯示內(nèi)容包括3個(gè)部分：其一是輸入量、輸出量和狀態(tài)量的顯示；其中輸入量有：液位、電壓和溫度；輸出量有：液位電流、溫度電流和補(bǔ)償值；狀態(tài)值有：超溫(沒有超溫不顯示)、開澆/停澆、正常/異常。其二是以20像素/s的速度動(dòng)態(tài)繪制反映液位波動(dòng)情況的實(shí)時(shí)曲線。其三是通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)6個(gè)按鍵，其功能如下：