一種高速單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 MAX1241介紹

MAX1241是MAXIM公司推出的一種串行A/D轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、高精度、高速度、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).MAX1241是一種單通道12位逐次逼近型串行A/D轉(zhuǎn)換器，功耗低，轉(zhuǎn)換速度快.
1.1 MAX1241功能特點(diǎn)
（1）2.7～5.25 V單電源供電；
（2）12位分辨率；
（3）8腳DIP/SO封裝；
（4）低功耗：Pmax=3mW（73 KSPS），
（5）內(nèi)部提供采樣/保持電路；
（6）兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE 串行三線外設(shè)接口；
（7）內(nèi)部提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘.
1.2 芯片介紹及外圍電路

圖 1所示是MAX1241最簡(jiǎn)單的外圍配置電路。其中，1腳是電源輸入端，電源電壓范圍為2.7～5.25V。2腳是模擬信號(hào)輸入端，輸入電壓范圍是 0V～VREF，1241可以在9μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。3腳是關(guān)斷控制輸入端，利用其可實(shí)現(xiàn)1241兩種工作模式的切換，將3腳外接低電平，1241工作于關(guān)斷模式，輸入電流可減少至10μA以下，處于節(jié)能狀態(tài)；若外接高電平，1241是標(biāo)準(zhǔn)工作模式，可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。管腳4是基準(zhǔn)電壓，需外接4.7μF的電容。5腳是接地端。管腳6是數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng)其由0翻轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，可以讀數(shù)據(jù)了。7腳是片選端，低電平有效。管腳 8是外部讀數(shù)時(shí)鐘脈沖輸入端，最高頻率可達(dá)2.1MHz，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，輸入外部讀數(shù)時(shí)鐘，每個(gè)讀數(shù)時(shí)鐘脈沖的上升沿讀出一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀出的順序是由高位到低位，第一個(gè)讀數(shù)時(shí)鐘脈沖的下降沿表示數(shù)據(jù)輸出開始，1241是12位模－數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以要完整的讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，至少需要外部輸入13個(gè)脈沖。
1.3 工作過程
其工作時(shí)序如圖2所示，下面我們結(jié)合圖2來分析MAX1241的工作過程.

(1)、在 ＝1前提下，使片選信號(hào)有效，同時(shí)保持時(shí)鐘輸入端為低電平；
(2)、大約9μs后，可在SCLK端送入外部時(shí)鐘脈沖，讀出數(shù)據(jù)。從時(shí)序圖中可看出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是在輸入脈沖由高電平變成低電平后有效，上升沿讀出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)輸出端DOUT由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，所以也可通過查詢DOUT的狀態(tài)確定轉(zhuǎn)換是否完成；
(3)、在外部輸入13個(gè)脈沖后，數(shù)據(jù)讀取完成，將片選信號(hào)端置高電平。只要使片選信號(hào)再次有效，就可以重新開始一輪新的模數(shù)轉(zhuǎn)換和讀取過程。
(4)、數(shù)據(jù)讀取完成后，如果仍然保持片選信號(hào)有效，則DOUT端始終輸出低電平。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MAX1241的典型配置及與89C51單片機(jī)的接口電路如圖3所示，采用＋3.6V的標(biāo)準(zhǔn)電池E供電，這樣，89C51和1241可以共用一個(gè)直流電源，從而減小系統(tǒng)體積。關(guān)斷輸入控制端由P1.0控制，這樣使1241只有在需要采集數(shù)據(jù)時(shí)才處于標(biāo)準(zhǔn)工作模式，否則就處于節(jié)能態(tài)。1241的三根數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘輸入端、片選控制端和數(shù)據(jù)輸出端分別由89C51的P3.4、P3.3和P3.5控制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
2.1 電源配置　
VDD供電范圍為2.7～5.25V，為減少來自電源的干擾，可在VDD引腳配置4.7μF和0.1μF的濾波電容.
2.2 參考電源的配置　
由于MAX1241內(nèi)部沒有參考電源提供，需外接參考電壓，只需將Vref接在4.7μF電解電容即可；特殊情況下，可根據(jù)前面所述的工作方式控制，讓 懸空，此時(shí)，即可在REF引腳輸入?yún)⒖茧妷?，其范圍?.0～VDD.REF引腳外接電解電容不宜選擇過大，電容越大，MAX1241由待機(jī)模式到正常工作模式的喚醒時(shí)間將越長(zhǎng).
2.3 采樣/保持電路　
MAX1241芯片內(nèi)部具有采樣/保持電路，無(wú)需外部保持電容和采樣/保持電路.
2.4 SPI接口時(shí)序的軟件合成　
由于89C51單片機(jī)不具有SPI接口，因而采用軟件合成的方式來和MAX1241接口，模擬SPI接口方式.其時(shí)序必須嚴(yán)格按照?qǐng)D2所提供的時(shí)序圖來進(jìn)行.應(yīng)當(dāng)注意，SCLK的個(gè)數(shù)應(yīng)比數(shù)據(jù)的實(shí)際位數(shù)多1，因第0個(gè)SCLK為A/D轉(zhuǎn)換期間所必須提供的.
2.5 MAX1241與89C51的硬件接口　
MAX1241的控制線SCLK、、DOUT可與89C51的通用I/O口直接相連，無(wú)需任何接口變換，其SPI接口由89C51的程序來合成.

圖3 數(shù)據(jù)采集電路
2.6 模擬電壓輸入　
模擬電壓經(jīng)前級(jí)放大至0～VREF 范圍后，由AIN引腳輸入.

3 數(shù)據(jù)處理程序

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可利用程序來進(jìn)行數(shù)字濾波，通常采用一次延遲數(shù)字濾波，其算

為了保證準(zhǔn)確度，可采用雙字節(jié)運(yùn)算程序來處理數(shù)據(jù)，并且不考慮符號(hào)。這樣可以簡(jiǎn)化程序。常數(shù)都表示成16位數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行雙字節(jié)運(yùn)算。在下列數(shù)據(jù)區(qū)中加入本程序所用的常數(shù)及運(yùn)算數(shù)據(jù)。