基于SD8100的数字万用表模块的设计与实现

摘要：本文介绍了数字万用表专用芯片SD8100的主要功能及特点，并利用SD8100来设计与实现一款适合工业控制和电子测试领域的数字万用表模块。

引言

　　在工业控制和电子测试领域，经常需要对电阻、电压、电流等信号进行长时间的测量和监控，用来判断工况是否正常。显然，使用普通数字万用表进行单次测量无法满足实时监控要求。而使用专用的检测设备及传输设备又会导致监控成本过高。因此迫切需要一款体积小、功耗低、便于信号传输且成本较低的监控解决方案。而基于SD8100芯片的数字万用表模块既具有测量精度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强等特点，又具备测量自动化程度高、使用方便、价格低廉等优点，能够满足对电阻、电压、电流、频率等信号的检测和实时监控。

1 SD8100功能及特点

　　SD8100是杭州晶华微电子有限公司推出的数字万用表专用芯片。该芯片自带24位ADC(Analog to Digital Converter)，特有的交流测量功能可以直接将交流信号接到芯片的ADC通道进行测量。该芯片有丰富的资源：RTC(Real Time Clock)模块可以计算年、月、日、时、分和秒，可以自动进行闰年计算;UART模块可以方便用户跟计算机等设备通讯;多种可选择的输出电源可以给外部器件提供稳定的电压;有外部晶振和内部RC振荡时钟可以选择;自带16kB的OTP(One Time Programmable)可以由用户设置做E2PROM(Electrically Erasable Programmable Read-Ony Memory)使用，从而节省外部E2PROM。使该芯片在各种仪表测量应用中极大地简化外围器件，其性能特征如下：

　　● 差分3通道或单端6通道、高精度ADC，24位输出，20位有效位数;

　　● 低噪声高输入阻抗前置放大器包含1、12.5、50、100和200倍可选增益;

　　● 8位RISC超低功耗MCU，在2MHz工作时钟和3V工作电压下，电流典型值为200μA;32kHz时钟工作在待机模式下的电流只有1.5µA，待机模式下电流典型值小于1µA;

　　● 抗干扰能力强，EFT试验大于4kV;

　　● 集成多种时钟振荡器，灵活多样的时钟选择。选择外部晶振时，支持停振检测功能，当外部晶振停振时会自动唤醒内部2MHz RC振荡电路，并切换成内部时钟工作，触发中断;

　　● 12SEG×4COM液晶驱动电路，超低功耗和大驱动能力设计，内含程控升压模块，可以在低压条件下维持高亮显示，并支持灰度调节;

　　● 丰富的外围资源：UART、I2C、PDM、PFD、CAPTURE和TIMER;

　　● 工作电压范围：2.4V～3.6V;

　　● 工作温度范围：-40℃～85℃。

2 数字万用表模块硬件设计

　　数字万用表模块电路主要由SD8100及外围电路、测量控制及接口电路、隔离RS-232串口电路、电源变换电路等组成。所有元器件都选用工业级产品，以满足恶劣环境条件下的使用要求。数字万用表模块原理框图如图1所示。

　　SD8100及外围电路主要由SD8100芯片、4MHz晶体、校准接口和烧录接口组成。其中AIO0～AIO3、ACM和Hz用于电压、电流、电阻及频率检测输入;io2～io9用于检测功能选择及量程自动切换控制。CLK、DIN、EXT_2M和DOUT用于程序烧录;7.5V标准电源用于校准输入。其原理如图2所示。

　　测量控制及接口电路主要由控制继电器、运算放大器、三极管、二极管、MOS管、电阻、电容器等组成。继电器K2、K3控制电流测量档位。当使用5A档时，闭合继电器K2，被测信号送入SD8100芯片的ACM和AIO3;使用1A档时，闭合继电器K3，被测信号送入SD8100芯片的ACM和AIO2;电压检测时，闭合继电器K3，被测信号送入SD8100芯片的ACM和AIO2;电阻检测时，闭合继电器K1，被测信号送入SD8100芯片的AIO0和AIO1，同时检测档位由io3～io6进行控制;频率检测时，闭合继电器K4，被测信号送入Hz。继电器K1～K4的动作分别由io7、io8和io9、io2控制。为了保证测试精度，电阻精度值大于1%。R21为0.1Ω的锰铜电阻，供电流测量时5A档使用。其工作原理如图3所示。

　　隔离RS-232串口电路主要由ADI公司的ADM3251E芯片、电容器和DB9插座组成。ADM3251E为隔离型RS-232接口芯片。该芯片支持1TX和1RX通道，支持2.5kV隔离电压，支持8kV静电放电电压。该隔离RS-232串口电路与传统的隔离RS-232串口电路设计相比，主要节省了1个DC-DC隔离电源模块和2个光耦合器件，简化了电路设计，节省了印制板布局空间及电路成本。其工作原理如图4所示。

　　电源变换电路由HT7333芯片、输入和输出滤波电容组成。HT7333是HOLTEK公司DC-DC电源转换芯片。该芯片最高输入电压12V，输出电压3.3V，最大输出电流250mA。本模块采用5V直流电源供电，输出3.3V直流电源。其工作原理如图5所示。

3 数字万用表模块通信接口协议

　　数字万用表模块与上位机采用RS-232串口进行通信，比特率为9600bps，8位数据位，1位停止位，1位偶校验位。通信协议如下：

　　上位机写命令：包头(0xAA55，两字节) + 写命令(0x01，一字节) + 类型(一字节)，包长度固定4字节。

　　数字万用表模块响应：包头(0xAA55，两字节) + 响应命令(0x02，一字节) + 类型(一字节) + 数据(五字节)，包长度固定9字节。

　　数据响应过程：上位机发送命令后，数字万用表模块需要在1s内测量指定电压/电流/电阻/频率数据，并回送相应数据。

　　数据类型指需要数字万用表模块测试电压、电流、电阻、频率及自检信息，数据类型见表1。

　　数据表示数字万用表模块电压/电流/电阻/频率测量结果，数据用5个字节表示(正负符号1个字节(00表示正，11表示负，其中电阻和频率都为正)+整数2个字节+小数2个字节)，数据高位在前。数据格式如图6所示。

　　示例：测量结果为2.56V，送回数据为0x0000025600;

　　测量结果为-2.56V，送回数据为0x1100025600。

4 数字万用表模块档位、量程及精度

　　数字万用表模块有测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、频率等6个功能档位，每个档位对应的量程及精度要求见表2。

5 结束语

　　基于SD8100数字万用表模块具有交流/直流电压、电流测量功能和电阻、频率测量功能。能够通过上位机指令选择测量档位，能够根据测量结果自动切换量程，并能够将测量结果实时上报给上位机。该模块具有体积小、重量轻、成本低、功能齐全、性能稳定、环境适应能力强等特点。目前已成功运用于我单位多款智能检测仪，取得了较好的测量效果。

参考文献

　　[1]SD8100规格书(V 0.2). 杭州晶华微电子有限公司, 2012年6月

　　[2]ADM3251E Datasheet (Rev. E)[R/OL].www.analog.com

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第40页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。