基于C8051F020單片機的數據采集電路設計

摘要：闡述了一種以C8051F020芯片為核心的數據采集電路，該電路通過電壓轉換電路，實現了對操縱桿模擬信號的高速、高精度的采集，并通過RS-422串口通信模塊實現與光電穩(wěn)定平臺的通信控制。該電路具有響應速度快，精度高，設計簡單，應用靈活，易擴展等特點，在很大程度上提高了模擬信號采集的效率，完全可以滿足信號采集處理對高精度和實時性的要求。
關鍵詞：C8051F020；A／D轉換；RS-422串口通信；信號采集

數據采集是為了對溫度、壓力、流量、速度、位移、光強度、聲音等物理量進行在線測量和控制，通過傳感器把上述物理量轉換成模擬物理量的電信號。然后將模擬電信號經過處理并轉換成計算機能識別的數字量，送入計算機處理、存儲、傳輸和顯示。
在操縱桿控制器的工作過程中，需要對操縱桿X軸和Y軸輸出的2路電壓信號進行A／D轉換，轉換后的數據范圍要求在-1 500～1 500，采樣精度為12位。另外還需要對采集后的數據進行計算，并通過串口與兩自由度光電穩(wěn)定平臺進行通信，實現對穩(wěn)定平臺的功能控制，通信周期為80 ms。出于成本的考慮，沒有采用傳統(tǒng)專用A／D芯片+單片機的設計模式，只用了一片C8051F020單片機實現了上述功能。

1 芯片簡介
Cygnal公司的C8051F020單片機是一款高性能的數字／模擬混合微處理器，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。具有豐富的片內資源和外圍接口，-40～+85℃的工作環(huán)境，內置有12位精度的A／D采集接口，在工業(yè)甚至軍用領域中自動控制和智能監(jiān)控等方面得到了廣泛的應用。

2 系統(tǒng)設計
傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)信號處理電路復雜龐大，且采集速率慢，溫漂大，抗干擾性差。所以本系統(tǒng)采用C8051F020單片機直接將模擬量轉換為數字量傳給穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，電路簡單實用，采集速率快，精度高并且通過RS 422通信模塊與穩(wěn)定平臺通信，抗干擾性強。
該系統(tǒng)由C8051F020單片機、晶體、電源模塊及RS 422通信模塊等部分組成。外部電源為+28 V，經DC28S5電源模塊變換后輸出+5 V，給操縱桿和MAX490芯片供電。由于單片機需要3．3 V的電源才能工作，因此需要將+5 V電源經三端穩(wěn)壓器LT1117-3．3 V變換后供給單片機使用。然后把經過電壓調制的操縱桿模擬信號連接到單片機的ADC輸入端口上，啟動單片機內部A／D轉換電路，將其轉換成數字信號存儲到內存。最后，按照規(guī)定的通信格式，通過單片機的串口和MAx490芯片將信號發(fā)送給穩(wěn)定平臺，從而實現了穩(wěn)定平臺的操縱控制過程。
系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2．1 基準電壓的配置
單片機ADC0模塊所使用的電壓基準采用內部基準電壓1．2 V，其內部電壓基準電路由一個1．2 V1 5 ppm／典型值的帶隙電壓基準發(fā)生器和一個兩倍增益的輸出緩沖放大器組成內部基準電壓(2．4 V)。通過VREF引腳連到芯片的VREF0引腳，并在VREF引腳與AGND之間接入0．1 μF和4．7μF的旁路電容，用來將VREF的開啟時間控制在2 ms。