程控濾波器電路 - 以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

　　常用濾波器是由RC元件和集成運(yùn)放所組成的有源濾波電路。其濾波特性與電阻R和電容C的精度密切相關(guān)，由它們組成的參數(shù)可調(diào)濾波器不僅對(duì)器件的精度要求較高，而且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)程序控制。MAX261是一款雙二階開關(guān)電容有源濾波器。濾波器參數(shù)f0(中心或拐點(diǎn)頻率)、Q值、MODE(模式)均可由微處理器分別編程寫入，無需外接元件即可構(gòu)成帶通(BP)、低通(LP)、高通(HP)、陷波(N)及全通(AP)有源濾波器。

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　　圖3為MAX261構(gòu)成的程控濾波器電路。MAX261的4位地址線(A0～A3)、2條數(shù)據(jù)線(D0～D1)和1條寫使能允許信號(hào)(/WR)，分別與ATmega128的I/O端口連接，使控制器可以通過I/O端口對(duì)MAX261的各參數(shù)進(jìn)行程序控制。如圖3右側(cè)所示，通過短路冒可以選擇3種不同的濾波器類型(低通、帶通和高通)。

　　2.3 程控放大器電路

　　多路開關(guān)和運(yùn)算放大器相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)程控放大器的簡(jiǎn)易、有效的方法。利用多路開關(guān)來改變反相運(yùn)算放大器的反饋電阻或者輸入電阻，可以達(dá)到改變?cè)鲆娲笮〉哪康?。?duì)于精度要求高的場(chǎng)合，可以選用高精度的運(yùn)放和電阻，并配合相應(yīng)的增益標(biāo)定以滿足系統(tǒng)要求。

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　　如圖4所示，程控放大器電路主要由低噪聲精密運(yùn)放OP27和8選1模擬開關(guān)MAX308組成。OP27是低噪聲、精密運(yùn)算放大器，失調(diào)電壓為25μV且最大漂移為0.6μV/℃，非常適合于精密儀表應(yīng)用。在10 Hz下，低噪聲、低噪聲轉(zhuǎn)折頻率以及高增益這些特性，使其能對(duì)低電平的信號(hào)進(jìn)行精密的高增益放大。8 MHz的增益帶寬積和2.8 V/μs的轉(zhuǎn)換速率，使該放大器在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中保持極好的動(dòng)態(tài)精度。程控放大器單位增益時(shí)，帶寬要求為100 kHz，OP27是能夠滿足的。MAX308的輸入輸出范圍達(dá)-10～+10 V，導(dǎo)通電阻小于100 Ω，導(dǎo)通電阻一致性小于3Ω，可以滿足系統(tǒng)需求。為節(jié)省I/O口，控制信號(hào)由MC74HC595進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換后再實(shí)現(xiàn)MAX308的開關(guān)切換，進(jìn)而完成信號(hào)增益的調(diào)節(jié)。電阻選用RJJ型精密小型金屬膜電阻，精度為±0.5%，溫漂系數(shù)為±50×10-6/℃。

　　在圖4的電路中，通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開，用于選擇不同反饋電阻來改變電路的增益。但該方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的：由于切換開關(guān)與反饋電阻串聯(lián)，開關(guān)的導(dǎo)通電阻將影響放大器的增益?？紤]到速度和精度的要求，取輸入電阻Rin=10kΩ，對(duì)應(yīng)于8個(gè)檔位0.1、0，5、1、2、5、10、20、50的反饋電阻Rf分別為1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、200 kΩ、500 kΩ。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求，軟件部分要求：

　　①控制器電路支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信;

　?、谕ㄟ^網(wǎng)頁瀏覽器或上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件登錄程控信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，并對(duì)濾波器參數(shù)和放大器增益進(jìn)行查看、修改和保存。

　　運(yùn)行于ATmega128之上的嵌入式軟件是基于RTOSNut/OS的嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信并解析指令實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)硬件電路的控制。應(yīng)用程序包含了兩個(gè)線程：一個(gè)是主線程(即TCP服務(wù)器端線程)，另一個(gè)是放大器參數(shù)群設(shè)置線程。在Nut/OS中這兩個(gè)線程被設(shè)置成相同的優(yōu)先級(jí)。

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　　主線程程序流程如圖5所示。主線程首先進(jìn)行CPUI/O端口配置、定時(shí)器T2模式設(shè)置，以及IP、MAC、Mask和Gateway配置，恢復(fù)CPU掉電前程控放大器的放大倍數(shù)和程控濾波器的濾波參數(shù)，在創(chuàng)建放大器參數(shù)設(shè)置線程后將進(jìn)入TCP，Socket服務(wù)器端程序，并開始偵聽TCPSocket客戶端引入的連接，在接收到客戶端發(fā)出的指令后將執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。WrAmp字符串為放大器的放大倍數(shù)指令，可用于設(shè)置放大器的放大倍數(shù);RAAmp指令用于從EEPROM中獲取放大器參數(shù)并發(fā)往客戶端;SetMX用于從指令中獲取濾波參數(shù)值;q[uit]用于斷開連接。

　　放大器參數(shù)群設(shè)置線程程序流程如圖6所示。采用這種雙線程參數(shù)設(shè)置結(jié)構(gòu)，可以在確保指令被后續(xù)硬件電路正確執(zhí)行的前提下，縮短TCP Socket的連接時(shí)間，加快上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件對(duì)多個(gè)程控信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)批量控制的速度。

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　　為了便于單機(jī)調(diào)試，嵌入式程序設(shè)計(jì)中還增加了http服務(wù)線程，系統(tǒng)管理員使用Web瀏覽器即可訪問ATmega128上的靜態(tài)網(wǎng)頁，對(duì)濾波器參數(shù)和放大器增益進(jìn)行查看、修改和保存。

　　在上位機(jī)開發(fā)可視化的數(shù)據(jù)控制軟件，通過Socket套接字實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制軟件與ATmega128間的通信。ATmega128程序作為服務(wù)器端，而上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件作為客戶端，客戶端設(shè)置好服務(wù)器端的IP與端口號(hào)，即可通過Socket套接字進(jìn)入連接狀態(tài)，雙方便可進(jìn)行信息交換。上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件由此控制程控信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的濾波器參數(shù)和放大器增益，進(jìn)行查看、修改和保存。此種控制方式可以滿足上位機(jī)數(shù)據(jù)控制平臺(tái)對(duì)眾多程控信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。