基于SPI總線的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

李 寧，宋俊杰，黃元峰，雷元林

（1.武漢工程大學 電氣信息學院 湖北 武漢 430205；2.漢江丹江口鋁業(yè)有限公司 湖北 丹江口 442700）

隨著微處理器的發(fā)展及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電子測量技術(shù)和電子儀器系統(tǒng)提出越來越高的要求，對測試速度和精確度的要求也與日俱增。測試系統(tǒng)主要包括對實時數(shù)據(jù)的高速采集、現(xiàn)場顯示和分析處理3部分，其中最重要的一環(huán)就是實時數(shù)據(jù)高速采集，因為它關(guān)系到能否真實反映被測對象的狀態(tài)和性能。根據(jù)實際項目需要，文中基于80C51F040單片機的SPI總線和AD7891芯片，設(shè)計實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的高速采集。文中給出了系統(tǒng)的主要硬件電路和對時序控制的軟件編程。

1 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能是能對多路電壓和電流進行高速采集和分析處理，其要求精度高，線性度好，采集電壓要求以1 mV為單位，模擬信號輸入范圍為-10～+10 V。系統(tǒng)處理芯片采用Silicon Laboratories公司出品的C8051F040單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC），具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核，該系列單片機采用流水線處理（pipe line）技術(shù)不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高指令執(zhí)行效率。而且大部分C8051F040單片機具備控制系統(tǒng)所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS（與 IC 兼容）總線以及 CAN 總線。 C8051F系類單片機采用Flash ROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線編程。C8051F系列單片機諸多特點和優(yōu)越性，使其廣受單片機系統(tǒng)設(shè)計工程師青昧，成為很多測控系統(tǒng)設(shè)計的首選機型[1]。雖然C8051F040內(nèi)部提供A/D轉(zhuǎn)換器，但在實時高速采集中易受干擾，性噪比比較低，A/D轉(zhuǎn)換速度不能滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，為了滿足系統(tǒng)的指標、提高數(shù)據(jù)的精確性采樣和系統(tǒng)的抗干擾能力，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)實際情況采用外擴的A/D轉(zhuǎn)換芯片[2]。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的A/D芯片是美國ADI公司推出的一種AD7891 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），它具有并行和串行兩種工作模式，適合各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號處理機接口。AD7891內(nèi)含有多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2.5 V基準電壓源和高速接口電路，并有8個具有過壓保護的模擬信號通道，AD7891-1可承受的過壓為±17 V。AD7891的模數(shù)轉(zhuǎn)換時間是1.6 μs，采樣時間為1.4 μs。當只對一個通道信號采樣時，采樣率為500 kSPS；當對8個通道信號逐個采樣時，采樣率為62.5 kSPS，AD7891-1使用硬件或軟件方法控制轉(zhuǎn)換開始得數(shù)據(jù)采樣時間分別為0.6 μs和 0.7 μs，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集率分別為 454.5 kSPS和435 kSPS。AD7891采用單電源工作，功耗低，可選擇輸入信號的范圍，也可并行或串行工作，非常適合用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電機控制、移動通信系統(tǒng)和測試設(shè)備等方面的應(yīng)用[3]。AD7891管腳功能說明如表1所示。

通常在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，AD7891和單片機之間的接口有串行和并行兩種方式，采用軟件控制數(shù)據(jù)線的方式來滿足系統(tǒng)所要求得采集速度。由于C80C51F040單片機具有SPI總線接口功能，所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用串行工作方式，數(shù)據(jù)的讀取通過單片機的SPI總線來傳輸，不僅能夠滿足采集系統(tǒng)的快速性要求，在硬件上也較易實現(xiàn)[4]。圖1是AD7891與80C51F040單片機的接口電路。

表1 AD7891管腳功能說明Tab.1 AD7891 pin functions description

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對模擬量的高速采樣，首先要對AD7891的時序進行分析，圖2為AD7891的串行讀操作時序圖，圖3為AD7891的串行寫操作時序圖。

圖1 AD7891與C8051F040單片機接口電路Fig.1 AD7891 and C8051F040 MCU interface circuit

圖2 AD7891的串行讀操作時序圖Fig.2 AD7891 serial read operation sequence diagram

圖2為AD7891的串行讀操作時序圖，從圖2中可以看出，當單片機要從AD7891中讀取數(shù)據(jù)時，必須先將置低，串行數(shù)據(jù)時一位一位的接收的。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，必須一直保持低電平。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是一次傳輸16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸是以FORMAT位開始的，緊接著是3位地址位，接下來是12位數(shù)據(jù)位，存放的是12位AD轉(zhuǎn)換的值，每一位數(shù)據(jù)都是在時鐘的上升沿開始發(fā)送的，16位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，DATA OUT線一直保持高阻態(tài)直到和SCLK其中任意一個有一個上升沿的脈沖出現(xiàn)[5]。

圖3 AD7891的串行寫操作時序圖Fig.3 AD7891 serial write operation sequence diagram

圖3為AD7891的串行寫操作時序圖，從圖3中可以看出，當單片機向AD7891中寫數(shù)據(jù)時，必須先將置低，AD7891的控制寄存器只接收前6位數(shù)據(jù)，前三位A0、A1、A2用于配置AD采樣通道，在接收完前6位數(shù)據(jù)之后不再接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收都是在時鐘的下降沿進行的[6]。下面給出通道1采集的主要程序代碼（C語言）

3 結(jié)束語

文中基于串行SPI通信方式，設(shè)計了一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用SPI總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程容易的特點。

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