基于單片機(jī)的脈沖數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

脈沖信號(hào)的丟失往往是造成誤差的主要因素，特別是對(duì)一些非電信號(hào)的檢測(cè)，比如說(shuō)位移量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，而精確的測(cè)量位移然后準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)據(jù)就顯得尤為重要，現(xiàn)階段市場(chǎng)上有很多一起可以直接將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移、速度等物理量，如數(shù)字顯示器，但很少有將位移量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的，因此，我們可以設(shè)計(jì)一種可以直接將位移量轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)據(jù)的，并且可以通過(guò)顯示器顯示的測(cè)量電路，這將給我們測(cè)量帶來(lái)諸多便利。

1 AT89S52數(shù)據(jù)采集指標(biāo)分析

常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出采用上位機(jī)和下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)模式。下位常采用單片機(jī)完成前端的多路數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)則通常用PC機(jī)或工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理機(jī)結(jié)果顯示。有線(xiàn)常用RS-232或RS-485通信協(xié)議等，其上可以運(yùn)行地址或數(shù)據(jù)等不同的信號(hào)類(lèi)型，之間采用分時(shí)或編碼的方式加以區(qū)分。

由于采用主從雙MCU系統(tǒng)，所以這部分問(wèn)題的核心在于選擇什么芯片。設(shè)計(jì)要求采樣八通道，精度為4位，因此可以采用8位的ADC芯片，選用RS-232串口，由于RS-232性?xún)r(jià)比高，在短距離傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中完全可以滿(mǎn)足要求。

2 總體設(shè)計(jì)方案

如圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖，它由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制構(gòu)成。各部分模塊的作用如下：

1)被測(cè)物理量：位移變化量;

2)位移傳感器：將測(cè)量到的物理量通過(guò)特殊電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)量，再通過(guò)傳感器電路中的輸出系統(tǒng)輸出模擬信號(hào)。這里采用光柵尺位移傳感器，其基本要求如下：

量程：0～300 mm;

傳感器靈敏度：200次/mm;

傳感器分辨率：5μm;

傳感器信號(hào)輸出頻率：1000 Hz;

3)儀表放大器電路：對(duì)微弱的檢測(cè)比較困難的模擬信號(hào)通過(guò)放大電路進(jìn)行不失真放大，確保能夠與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路有效的連接，同時(shí)保證模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度;

4)被測(cè)電量電路：本電路設(shè)計(jì)采用0～5 V之間的直流模擬電壓作為一路輸入信號(hào);

5)A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。

6)AT89S52單片機(jī)：此單片機(jī)具有小型計(jì)算機(jī)功能，性能很高但功耗卻很低，是一種高性?xún)r(jià)比的8位微控制器，它是整個(gè)脈沖數(shù)據(jù)采集電路的核心組成部分。

3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)前所使用的光柵尺位移傳感器量程為300 mm，精度為5μm，即光柵尺傳感器檢測(cè)到一個(gè)脈沖位移的變化量為5μm，脈沖數(shù)據(jù)采集就是指光柵傳感器與它待測(cè)顯示儀器數(shù)字顯示表通過(guò)串口連接，當(dāng)光柵尺位移傳感器的位移發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)通過(guò)數(shù)顯器內(nèi)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路就可以將光柵尺位移變化準(zhǔn)確地顯示，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)并聯(lián)，一路輸出給數(shù)顯器進(jìn)行讀數(shù)顯示。另一路脈沖信號(hào)使用串口連接上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)程序中進(jìn)行分析、處理，脈沖采集系統(tǒng)是綜合計(jì)算機(jī)、機(jī)床設(shè)備還有專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器等相互結(jié)合靈活運(yùn)用及用戶(hù)自定義功能的測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)據(jù)的顯示、位移大小顯示、脈沖與位移之間的轉(zhuǎn)換等功能，可通過(guò)USB、串口等接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

3.1 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

如圖2電源電平轉(zhuǎn)換電路是專(zhuān)門(mén)為RS232設(shè)計(jì)的電源電平轉(zhuǎn)換芯片電路。由于RS-232的邏輯低電平0電平規(guī)定為+5～+15 V，邏輯高電平1電平規(guī)定為-15～5 V，因此在與TTL電路連接時(shí)必須經(jīng)過(guò)高低電平之間的轉(zhuǎn)換。高低電平之間的電平轉(zhuǎn)換方法有很多，此電路直接采用電平轉(zhuǎn)換芯片，此轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)點(diǎn)是：在電路中占地空間比較小，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，并且與其他電路連接起來(lái)非常方便，還有此芯片已做得非常成熟，工作穩(wěn)定可靠，具有極好的抗干擾抗靜電能力。

3.2 模擬信號(hào)整形、濾波、放大電路

如圖3模擬信號(hào)整形放大電路采用74HTC14芯片，此芯片有兩個(gè)D觸發(fā)器，PR端為預(yù)置端，CLR端為清零端，CP端為時(shí)鐘輸入端。此電路具有施密特觸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)：1)波形變換功能，可將三角波、正弦波等變成矩形波;2)脈沖波整形功能，在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖;3)脈沖鑒幅功能，幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號(hào)施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出。

此模擬信號(hào)整形電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了6路施密特觸法反相放大器功能，將系統(tǒng)緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成了清晰、穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)的輸出信號(hào)，有效的提高了LED顯示脈沖數(shù)據(jù)的精確性。

3.3 USB轉(zhuǎn)串口通訊電路設(shè)計(jì)

該轉(zhuǎn)換電路采用CH341A型號(hào)的USB總線(xiàn)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有28個(gè)管腳，工作狀態(tài)有2種，一種工作狀態(tài)是同步串口模式，另一種是異步串口模式。當(dāng)工作在同步串口模式時(shí)必須使芯片23管腳SDA接地或者接低電平，因?yàn)榇艘_為功能配置輸入引腳，內(nèi)部具有上拉電阻限制電位;16管腳DSR具有復(fù)位(RST)功能;18管腳DCD具有時(shí)鐘信號(hào)(SCK)功能;20管腳DTR具有數(shù)據(jù)輸出(MOSI)功能;22管腳SLP具有數(shù)據(jù)輸入(MI SO)功能。而當(dāng)該芯片工作在異步串口模式時(shí)必須使23管腳SDA懸空，此時(shí)5管腳TXD為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，6管腳RXD為串行數(shù)據(jù)接收端，同時(shí)27引腳在低電平有效時(shí)該芯片才能發(fā)送接收數(shù)據(jù);26管腳TNOW為串口發(fā)送數(shù)據(jù)正在進(jìn)行的狀態(tài)指示功能，高電平有效，在半雙工串口方式下，該引腳可用于串口數(shù)據(jù)接收發(fā)送切換狀態(tài)。在以上兩種工作模式中，10引腳UD+和11引腳UD-與USB端口相對(duì)應(yīng)接，13引腳XI、14引腳XO分別接晶振和振蕩電容，9引腳V3為直流電源電壓選擇端，電源電壓為5 V時(shí)，該引腳需要接一個(gè)0.47μF的極性電容和0.1μF、0.01μF的電容接地。其它信號(hào)線(xiàn)引腳根據(jù)電路功能需要選用，不需要時(shí)都可以懸空。

該轉(zhuǎn)換電路主要是為解決當(dāng)前計(jì)算機(jī)串行通訊接口只有USB，難以滿(mǎn)足舊型號(hào)設(shè)備或某些單片機(jī)要求RS232通訊的問(wèn)題，故采用CH341A與MAX223集成電路芯片構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)9線(xiàn)RS232/USB通用接口轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器功耗很小，由USB端口提供電源，并且在上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的控制下無(wú)需二次編程開(kāi)發(fā)即可使用，RS232/USB轉(zhuǎn)換器通訊測(cè)試如圖5所示。

3.4 AT89S52核心控制電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，采用AT89S52與兩個(gè)74HC573鎖存器傳輸信息使用，AT89S52具有低功耗、高性能、8K字節(jié)的Flash及32位I/O口線(xiàn)、全雙工串行通信口等優(yōu)點(diǎn)。其中U10鎖存器做位選功能，U9鎖存器做段選功能，這樣就可以有效擴(kuò)展AT89S52單片機(jī)P2的I/O端口，使程序控制信息與脈沖數(shù)據(jù)信息在傳輸過(guò)程中能夠非常有效的控制，這為多路脈沖數(shù)據(jù)的采集提供了重要的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

此脈沖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能很好地解決位移變化非常緩慢但又不便用儀器測(cè)量的裝置，可以將緩慢變化的位移量通過(guò)脈沖數(shù)據(jù)來(lái)顯示，這就給電機(jī)的精確進(jìn)給量提供了有效的依據(jù)，可以通過(guò)編程上位機(jī)程序來(lái)進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)給量，也可以通過(guò)手動(dòng)單個(gè)脈沖的進(jìn)給，這將非常有效地提高測(cè)量精度和加工精度。