基于串行接口方式單片機(jī)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

在傳統(tǒng)微機(jī)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，均是以總線方式來(lái)擴(kuò)展各功能部件，如A/D轉(zhuǎn)換器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、日歷/時(shí)鐘器件、顯示器件及微型打印機(jī)等，由三總線方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，突出的問(wèn)題是由于總線引出，易受干擾，造成系統(tǒng)的可靠性降低，同時(shí)也帶來(lái)了布線密度高，占用電路板空間大，外圍元件較多，時(shí)序復(fù)雜等問(wèn)題。近年來(lái)隨著片內(nèi)具有FLASH存儲(chǔ)器的非總線型單片機(jī)及具有串行接口的外圍器件的推出，使得設(shè)計(jì)出基于串行接口方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為可能。

2 硬件結(jié)構(gòu)

基于串行接口方式的單片機(jī)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 串行接口方式單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際采集數(shù)據(jù)的需要，分別設(shè)計(jì)了模擬量采集接口電路、開(kāi)關(guān)量采集接口電路、數(shù)字量采集接口電路及頻率量采集接口電路，基本涵蓋了各種數(shù)據(jù)信息的采集。為了將采集的信息保存下來(lái)，擴(kuò)展了一片容量為64K字節(jié)的E2PROM AT24C512，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和按時(shí)間日期保存數(shù)據(jù)而擴(kuò)展了一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片SD2001E，為便于輸入各種數(shù)據(jù)而擴(kuò)展了鍵盤(pán)接口管理器件 SK5278，為便于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)及人機(jī)交互而擴(kuò)展了中文液晶圖文顯示器OCMJ4X8C，為便于將采集的數(shù)據(jù)打印輸出而擴(kuò)展了MP-A16-8型漢字微型打印機(jī)，為便于將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析而使用MAX232擴(kuò)展了RS-232接口，下面對(duì)上述各串行接口器件予以介紹。

2.1 模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543

TLC2543是具有11個(gè)模擬量輸入通道，12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，因而本系統(tǒng)最多可實(shí)現(xiàn)11路模擬量的采集任務(wù)，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，該器件具有3路內(nèi)置自測(cè)試方式，可分別測(cè)試REF+高基準(zhǔn)電壓值，REF-低基準(zhǔn)電壓值和REF+/2值，該器件的模擬量輸入范圍為REF+－REF-，一般模擬量的變化范圍為0-5V，但為了能滿足一些傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電壓值的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這里利用了TLC2543的基準(zhǔn)電壓設(shè)定功能，設(shè)計(jì)了模擬量輸入范圍設(shè)定調(diào)整電路，采用電阻分壓的方式設(shè)定采集基準(zhǔn)電壓值。其中R1和RP1用于設(shè)定滿度電壓值，調(diào)整RP1可使?jié)M度電壓值在1/2VDD－VDD之間變化，R2和RP2用于設(shè)定零值電壓，調(diào)整RP2可使零基準(zhǔn)電壓在0－1/2 VDD之間變化，RP1和RP2應(yīng)采用多圈精密電位器。TLC2543的基準(zhǔn)電壓設(shè)定功能，使得本系統(tǒng)可滿足各種非0－5V標(biāo)準(zhǔn)輸出的傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)，TLC2543與單片機(jī)的接口采用4線SPI串行接口，三個(gè)控制輸入端分別為“CS”（片選）輸入/輸出時(shí)鐘（CLK）及地址輸入端“DI”，片內(nèi)的 14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入端的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中的一個(gè)且采樣保持是自動(dòng)完成的，轉(zhuǎn)換結(jié)束后“EOC”輸出變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果由三態(tài)輸出端 “DO”輸出，AT89C52單片機(jī)與TLC2543的硬件接口電路如圖2所示。

2.2 I/O擴(kuò)展器GM8164

為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量采集及開(kāi)關(guān)量輸出控制的功能，這里使用了一片具有大量I/O擴(kuò)展功能的串行芯片GM8164，該器件的主要特點(diǎn)如下：

圖2 單片機(jī)與TLC2543的硬件接口電路

⑴擴(kuò)展I/O口數(shù)量眾多，可提供32位數(shù)據(jù)輸入口和40位數(shù)據(jù)輸出口；
⑵同時(shí)提供8個(gè)開(kāi)漏輸出口，方便電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)；
⑶可達(dá)1MHz的全速率同步串行接口，非常方便與通用MCU接口；
⑷可多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展I/O口的數(shù)量；