雙極性信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:提出一種基于51單片機(jī)、ADC0809和DAC0832相結(jié)合的雙極性信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用AT89C51單片機(jī)作為CPU，設(shè)計(jì)了能與多種傳感器配合使用的信號(hào)調(diào)理接口電路，從而完成高速的數(shù)據(jù)采集和多通道的同步采集。著重討論了系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低，并且根據(jù)實(shí)際需要，可以配合外圍電路進(jìn)行功能擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞:LF398;單片機(jī);數(shù)據(jù)采集;A/D 轉(zhuǎn)換器;D/A轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-093-03

Design and Realization of Bipolar Signal Acquisition and Processing System

LI Changfeng1，WANG Hongjun2，WANG Xiaojie2

(1.，Ji′nan Vocational College，Ji′nan，250103，China;2.Shandong University，Ji′nan，250100，China)

Abstract:A method of a bipolar signal acquisition and processing system design based on the union of 51 single chip computer，ADC0809 and DAC0832 is proposed.Using AT89C51 single chip computer as CPU，the interface circuit of signal mediation with many sensors are designed，the system can complete high-speed data acquisition and allow multi-channel to be sampled simultaneously.The focus is to discuss the hardware circuit and the software design.With the simple structure，low cost and power dissipation，it can help the outer circuits to expand function parts.

Keywords:LF398;single-chip microcomputer;data acquisition;A/D converter;D/A converter

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等連續(xù)變化的模擬信號(hào)或代表某些狀態(tài)特性的開(kāi)關(guān)量，通過(guò)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[1]，該系統(tǒng)在工業(yè)實(shí)時(shí)控制中使用最為普遍。本次設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)多路雙極性信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)采樣保持器LF398采集目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，最后經(jīng)D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換器輸出，也可根據(jù)需要輔以外圍電路進(jìn)行其他功能擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)控制目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集處理系統(tǒng)主要由輸入通道、單片機(jī)和輸出通道等三部分組成[2]。輸入通道包括傳感器、多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器、位移電路和A/D轉(zhuǎn)換器等，任務(wù)是完成對(duì)模擬信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);單片機(jī)采用AT89C51，是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的控制核心[3];輸出通道包括D/A 轉(zhuǎn)換器、放大和濾波電路等，任務(wù)是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 多路開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

多路開(kāi)關(guān)可根據(jù)軟件設(shè)置對(duì)通道進(jìn)行選擇，輪流切換各被采集回路，分時(shí)享用一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多路模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這里選用典型的單8通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)4051，4051輸入的3位地址碼由單片機(jī)提供地址控制信號(hào)來(lái)決定通道的選擇[4]，其真值表如表1所示。

表1 4051真值表

輸入狀態(tài)

INHCBA

接通通道

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

1×××均不接通

4051具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流，用幅度為0～+VCC的數(shù)字信號(hào)控制幅度為+VCC～-VEE的正負(fù)極性的模擬信號(hào)。4051的供電電壓加至VCC~VEE，VDD~GND之間，可單極性供電，也可雙極性供電。這里采用雙極性供電，以便傳輸雙極性信號(hào)，幅值為4.5～20 V的數(shù)字信號(hào)可控制峰-峰值至20 V的模擬信號(hào)。當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VCC=+5 V，GND=0 V，當(dāng)VEE=-5 V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加0～5 V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為-5～+5 V的模擬信號(hào)。4051接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 4051接口電路

1.2 采樣保持電路設(shè)計(jì)

采用采樣保持器LF398，LF398是一種反饋型采樣/保持放大器，由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路組成，能將快速變化的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣與保持，具有將連續(xù)信號(hào)離散后以零階保持器輸出信號(hào)的功能和采樣速率高、保持電壓下降慢、精度高等特點(diǎn)。采樣周期T等于輸入至LF398第8腳的脈沖周期，此脈沖由單片機(jī)產(chǎn)生，改變P1口的轉(zhuǎn)換速率，即改變采樣周期[5]。采樣時(shí)，輸出跟隨輸入模擬信號(hào)變化;保持時(shí)，輸出保持前一次采樣結(jié)束前瞬間的模擬輸入。使用采樣保持器的目的是使A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào)保持不變，從而提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。其接口電路如圖3所示。

圖3 LF398接口電路

1.3 信號(hào)位移電路設(shè)計(jì)

由于前兩級(jí)電路均工作在零偏置條件下[6]，輸出信號(hào)為雙極性信號(hào)，而進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809之前的信號(hào)必須是單極性信號(hào)，因此需要將雙極性信號(hào)位移使之成為單極性信號(hào)。信號(hào)位移電路如圖4所示，采用分壓電路，使圖4中A點(diǎn)電壓穩(wěn)定在1.25 V。

圖4 信號(hào)位移電路

1.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換[7]。ADC0809有8路模擬開(kāi)關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，用它可直接輸入8路單極性信號(hào)，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809與單片機(jī)AT89C51的硬件接口方式有三種:查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式[8]。本設(shè)計(jì)采用查詢方式，硬件接口電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

ADC0809的IN0～I(xiàn)N7為8路模擬通道輸入端;時(shí)鐘CLK由AT89C51的地址鎖存端ALE信號(hào)經(jīng)四分頻后產(chǎn)生;數(shù)據(jù)端口D0~D7與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線P0口直接相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸;通道地址選通輸入端ADDA，ADDB，ADDC經(jīng)過(guò)鎖存器74LS373與AT89C51的P0口的低3位數(shù)據(jù)總線相連，選中ADC0809的IN0通道的地址為7FF8H;轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC接AT89C51的P3.2口;用單片機(jī)P2.7口與寫信號(hào)線P3.6口相或后控制ADC0809的ALE和啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換端START，啟動(dòng)ADC0809按接入的通道地址進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;單片機(jī)P2.7口與讀信號(hào)線P3.7口相或后控制ADC0809的允許信號(hào)OE，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。

1.5 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。DAC0832是8位并行接口CMOS集成電路，可與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連，單電源供電，供電電壓范圍為+5～+15 V。本設(shè)計(jì)采用單緩沖工作方式[9]，硬件接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示。允許端ILE直接接高電平，內(nèi)部的輸入寄存器可以鎖存AT89C51的P0口送來(lái)的數(shù)據(jù);片選信號(hào)線CS和數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)線XFER與AT89C51的高位地址線P2.6口連接，則DAC0832的口地址為0BFFFH;WR1，WR2短接后與AT89C51的P3.6口相連，當(dāng)?shù)刂肪€P2.6口選通DAC0832后，只要P3.6口輸出信號(hào)，DAC0832即可一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換輸出。

圖6 DAC0832接口電路

1.6 放大濾波電路設(shè)計(jì)

由于DAC0832轉(zhuǎn)換電路采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，屬電流型輸出，使用時(shí)應(yīng)外接運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出，由運(yùn)算放大器LM324可組成單極性或雙極性輸出[10]，圖7所示電路中U10:A的輸出即為單極性輸出，U10:B的輸出為雙極性輸出，C4，C5和R9組成濾波電路。

圖7 放大濾波電路

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件總體功能設(shè)計(jì)主要包括主程序以及多路開(kāi)關(guān)電路程序、A/D轉(zhuǎn)換電路程序和D/A轉(zhuǎn)換電路程序等子程序設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)思路是:首先進(jìn)行初始化，設(shè)置多路開(kāi)關(guān)通道選擇，然后啟動(dòng)ADC0809，接收采樣后的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，隨后啟動(dòng)DAC0832轉(zhuǎn)換輸出，系統(tǒng)將在采樣周期內(nèi)完成8通道(可擴(kuò)展至64通道)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集巡檢。整體設(shè)計(jì)的流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)原理組裝好數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件后，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)在線調(diào)試。圖9所示為示波器測(cè)試的輸入信號(hào)、ADC0809的輸入信號(hào)和經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出結(jié)果的波形圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)能夠很好地采集轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，實(shí)時(shí)地反映傳感器輸出信號(hào)大小，達(dá)到了設(shè)計(jì)的采樣精度要求。

圖9 調(diào)試測(cè)試信號(hào)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了由采樣保持器、位移電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C51單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換電路等部分組成的一種雙極性信號(hào)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。通過(guò)軟硬件結(jié)合的方法，給出了具體的電路設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的采集、處理。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功能擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)出更能滿足實(shí)際要求的、功能更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

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