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

1 引言

在傳統(tǒng)微機化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，均是以總線方式來擴展各功能部件，如A/D轉(zhuǎn)換器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、日歷/時鐘器件、顯示器件及微型打印機等，由三總線方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，突出的問題是由于總線引出，易受干擾，造成系統(tǒng)的可靠性降低，同時也帶來了布線密度高，占用電路板空間大，外圍元件較多，時序復(fù)雜等問題。近年來隨著片內(nèi)具有FLASH存儲器的非總線型單片機及具有串行接口的外圍器件的推出，使得設(shè)計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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)根據(jù)實際采集數(shù)據(jù)的需要，分別設(shè)計了模擬量采集接口電路、開關(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，擴展了一片容量為64K字節(jié)的E2PROM AT24C512，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集和按時間日期保存數(shù)據(jù)而擴展了一片實時時鐘日歷芯片SD2001E，為便于輸入各種數(shù)據(jù)而擴展了鍵盤接口管理器件 SK5278，為便于實時顯示采集的數(shù)據(jù)及人機交互而擴展了中文液晶圖文顯示器OCMJ4X8C，為便于將采集的數(shù)據(jù)打印輸出而擴展了MP-A16-8型漢字微型打印機，為便于將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位計算機進行數(shù)據(jù)的處理分析而使用MAX232擴展了RS-232接口，下面對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)最多可實現(xiàn)11路模擬量的采集任務(wù)，為了保證測量結(jié)果的準確性，該器件具有3路內(nèi)置自測試方式，可分別測試REF+高基準電壓值，REF-低基準電壓值和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準電壓值的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這里利用了TLC2543的基準電壓設(shè)定功能，設(shè)計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的基準電壓設(shè)定功能，使得本系統(tǒng)可滿足各種非0－5V標準輸出的傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)，TLC2543與單片機的接口采用4線SPI串行接口，三個控制輸入端分別為“CS”（片選）輸入/輸出時鐘（CLK）及地址輸入端“DI”，片內(nèi)的 14通道多路器可以選擇11個輸入端的任何一個或3個內(nèi)部自測電壓中的一個且采樣保持是自動完成的，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單片機與TLC2543的硬件接口電路如圖2所示。

2.2 I/O擴展器GM8164

為了實現(xiàn)開關(guān)量采集及開關(guān)量輸出控制的功能，這里使用了一片具有大量I/O擴展功能的串行芯片GM8164，該器件的主要特點如下：

圖2 單片機與TLC2543的硬件接口電路

⑴擴展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同時提供8個開漏輸出口，方便電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動；
⑶可達1MHz的全速率同步串行接口，非常方便與通用MCU接口；
⑷可多個芯片級聯(lián)，擴展I/O口的數(shù)量；