智能化多路串行數(shù)據(jù)采集/傳輸模塊的設(shè)計(jì)

引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前對各種物理量的檢測和控制都可得以實(shí)現(xiàn)。微機(jī)檢測控制系統(tǒng)不僅運(yùn)用到航天航空、機(jī)器人技術(shù)、紡織機(jī)械、食品加工等工業(yè)過程控制，而且已經(jīng)成為日常各種家用電器當(dāng)中的主要組成部分。其中，a/d（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）設(shè)備起著十分重要的作用。這樣，一個(gè)系統(tǒng)中就會(huì)需要更多的a/d設(shè)備。一般是用擴(kuò)展一塊或多塊a/d采集卡的方法去實(shí)現(xiàn)。當(dāng)模擬量較少或是溫度、壓力等緩變信號(hào)場合，采用總線型a/d卡并不是最合適、最經(jīng)濟(jì)的方案。這里介紹一種以at89c2051單片機(jī)為核心，采用tlc2543l 12位串行a/d轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的采樣模塊，該模塊的采樣數(shù)據(jù)由單片機(jī)串口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送到上位機(jī)（pc機(jī)）的串口com1或com2，形成一種串行數(shù)據(jù)采集串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/20700.htm

主要元件功能介紹

at89c2051單片機(jī)

at89c2051是atmel公司推出的一種性能價(jià)格比極高的 8位單片機(jī)，其指令系統(tǒng)與mcs-51系列完全兼容。引腳排列如圖1所示。

tlc2543l 采用spi串行接口總線，spi串行接口總線由motorola公司提出，它是一種三線同步接口，分別為同步信號(hào)、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。另外芯片還有一根片選線，單片機(jī)通過片選線選通tlc2543l。其中，clk為同步時(shí)鐘脈沖，cs為片選線，din為單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出和tlc2543l的數(shù)據(jù)輸入線，dout為單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入線和tlc2543l的數(shù)據(jù)輸出線。圖2為tlc2543l時(shí)序圖。tlc2543l 是全雙工的，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行。如果只是對tlc2543l寫數(shù)據(jù)，單片機(jī)可以丟棄同時(shí)讀入的數(shù)據(jù)；反之，如果只讀數(shù)據(jù)，可以在命令字節(jié)后，寫入任意數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位，并采用高位在前的格式。

(1) 11個(gè)模擬輸入通道；

(2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間10 s；

(3) 12位分辨率a/d轉(zhuǎn)換器；

(4) 3路內(nèi)置自測試方式；

(5) 采樣率為66kbps；

(6) 線性誤差+1lsb（max）

(7) 有轉(zhuǎn)換結(jié)束（eoc）輸出；

(8) 具有單、雙極性輸出；

(9) 可編程的msb或lsb前導(dǎo)；

(10)可編程的輸出數(shù)據(jù)長度。 tlc2543l的引腳排列如圖3所示。圖3中ain0～ain10為模擬輸入端； 為片選端；din 為串行數(shù)據(jù)輸入端；dout為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束端；clk為i/o時(shí)鐘；ref+為正基準(zhǔn)電壓端；ref-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；vcc為電源；gnd為地。

max232c為rs-232收發(fā)器，簡單易用，單+5v電源供電，僅需外接幾個(gè)電容即可完成從ttl電平到rs-232電平的轉(zhuǎn)換，引腳排列如圖4所示。

硬件電路如圖5所示。

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要包括串行數(shù)據(jù)采集/傳輸模塊的系統(tǒng)信息、通道數(shù)、采集周期和通訊協(xié)議定義，以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)子程序。

tlc2543l的通道選擇和方式數(shù)據(jù)為8位，其功能為：d7、d6、d5和d4用來選擇要求轉(zhuǎn)換的通道，d7d6d5d4=0000時(shí)選擇0通道，d7d6d5d4=0001時(shí)選擇1通道，依次類推；d3和d2用來選擇輸出數(shù)據(jù)長度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長度為12位，即d3d2=00或d3d2=10；d1，d0選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位，d1d0=00選擇高位導(dǎo)前。

tlc2543l在每次i/o周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個(gè)i/o周期中被串行移出。第一次讀數(shù)由于內(nèi)部調(diào)整，讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果可能不準(zhǔn)確，應(yīng)丟棄。

數(shù)據(jù)采集程序如下：
sbit datain=p1^1;
sbit clock=p1^0;
sbit dataout=p1^2;
sbit cs=p1^3;
bit datain_a_bit0()
{ bit m=0;
dataout=1;
m=dataout;
datain=0;
nop();
clock=1;
nop();
clock=0;
return(m);
}
bit datain_a_bit1()
{ bit m=0;
dataout=1;
m=dataout;
datain=1;
nop();
clock=1;
nop();
clock=0;
return(m);
}

單片機(jī)通過編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，并按時(shí)序發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位，完成通道方式/通道數(shù)據(jù)的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出，程序如下：

unsigned int tlc2543l(unsigned char ch)
{unsigned char i,chch=0;
unsigned int xdata xxx=0;
unsigned int xdata y=0;
cs=0;
chch=ch<<4;
y=chch;
y<<=8;
i=0;
while(i<12)
{if((y&0x8000)==0)
{if(datain_a_bit0()==0) xxx&=0xfffe;
else xxx|=0x0001;
if(i!=11) xxx<<=1;
}
else
{if(datain_a_bit1()==0) xxx&=0xfffe;
else xxx|=0x0001;
if(i!=11) xxx<<=1;
}
y<<=1;
i+=1;
}
cs=1;
return(xxx);
}

串行數(shù)據(jù)傳輸模塊包括串行口初始化子程序和數(shù)據(jù)傳輸子程序，各子程序分別如下。其中數(shù)據(jù)傳輸采用查詢方式，也可以方便地改為中斷方式。

void rs232init()
{tmod=0x20;
th1=0xfd;
tr1=1;
scon=0x50;
}
void receandtran()
{unsigned char da;
while(!ri)
ri=0;
da=sbuf;
sbuf==da;
while(!ti);
ti=0;
}
上位機(jī)接收數(shù)據(jù)所用c語言程序包括初始化子程序和接收子程序。各子程序分別如下：
void cominit(void)
{
outportb(0x3fb,0x80);
outportb(0x3f8,0x18); /與單片機(jī)波特率一致為9600bps*/
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03); /8位數(shù)據(jù)位，1位停止位,無奇偶校驗(yàn)*/
outportb(0x3fc,0x03); /*modem控制寄存器設(shè)置,使dtr和rts輸出有效*/
outportb(0x3f9,0x00); /*設(shè)置中斷允許寄存器，禁止一切中斷*/
}
void data_rece(void) /*查詢方式接收數(shù)據(jù)子程序*/
{
while(!kbhit())
{
while(!(inportb(0x3fd)&0x01));/*若接收寄存器為空，則等待*/
printf("%x ",inportb(0x3f8)); /*讀取結(jié)果并顯示*/
}
getch();
}

智能化串行采集/傳輸模塊在pcr儀中的應(yīng)用

在pcr儀的電路設(shè)計(jì)中，因需要檢測的信號(hào)很多，包括熱蓋的溫度檢測，散熱器的溫度檢測，腔體內(nèi)部的溫度檢測，氣流的溫度檢測，光信號(hào)的檢測等等，為了簡化電路，節(jié)約成本，減小體積，在選擇a/d轉(zhuǎn)換電路時(shí)選用了spi總線的tlc2543，該芯片有多達(dá)11路的模擬信號(hào)輸入端，完全滿足pcr儀電路設(shè)計(jì)的需要，一個(gè)芯片既能完成檢測多個(gè)信號(hào)的功能，又能節(jié)約單片機(jī)的資源，圖6是其硬件原理圖。

本文所述的智能化串行數(shù)據(jù)模塊，可直接用于任何微機(jī)控制和檢測系統(tǒng)中以取代原來的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，該模塊功耗低、采樣精度高、可靠性好、接口簡便，有很高的實(shí)用價(jià)值。該智能模塊的軟件和硬件成功應(yīng)用于生命科學(xué)儀器“熱循環(huán)儀”的設(shè)計(jì)和實(shí)踐中，使用方便，簡單可行，節(jié)約成本，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采樣的應(yīng)用場合。