基于51單片機的高速測控系統設計

石坤+鄭毅

摘 要：在單片機原理及應用課程教學過程中，給出了一種創新性實驗案例——基于51單片機的高速測控系統設計。該系統主要由P89C51RB2單片機、TLC5510A/D轉換器和TLC7528D/A轉換器等器件組成，對系統進行了軟件和硬件設計，并對制作的系統進行了測試及分析。通過該創新性實驗系統設計，學生不僅能掌握單片機系統設計的相關知識，而且學生的實踐能力和創新能力也得到提升。

關鍵詞：單片機；創新實驗；測控

創新性實驗是高等學校本科教學質量與教學改革工程的重要組成部分，旨在探索并建立以問題和課題為核心的教學模式，改變目前高等教育培養過程中實踐教學環節薄弱，動手能力不強的現狀，推廣研究性學習和個性化培養的教學方式，調動學生的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高其創新實踐的能力[1]。

基于51單片機的高速測控系統設計是學生進行單片機基礎知識學習后開展的創新性實驗項目，要求學生在教師的指導下，自主進行具有一定研究性的學習，以幫助學生更深層次理解單片機的原理與設計方法。該高速測控系統正是基于以上因素設計的，它主要由A/D轉換器TLC5510、P89C51RB2單片機、D/A轉換器TLC7528組成[2]。

1 高速測控系統硬件電路設計

高速測控系統硬件電路分為高速數據采集和高速數據輸出兩部分，為實現高速數據采集及處理，選用P89C51RB2單片機為數據采集處理的控制核心，P89C51RB2單片機每個機器周期為6個時鐘周期，運行速度是普通的80C51的2倍，晶振頻率可達22MHz，有16KB的FLASH ROM和512B的RAM，支持串行ISP和IAP功能。高速測控系統如圖1所示[3，4]。

數據采集部分的核心器件采用TI公司的TLC5510，是一種8位高阻抗并行A/D芯片，最小采樣率為20MSPS，采用了半閃速結構及CMOS工藝，減少了器件中比較器的數量，在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗。數據輸出部分的核心器件采用TI公司的TLC7528，該器件是雙路、8位D/A轉換器，轉換速率可達到10M，具有單獨的片內數據鎖存器。該器件能方便地與大多數通用微處理器總線和輸出端口相接口，功耗小于15mw，工作于電壓方式。

2 高速測控系統調試及分析

現以某一學生制作的電路板為例，對其設計的高速測控系統電路板進行調試及分析。

2.1 信號采集功能的調試及分析

為檢驗制作的測控系統采集信號的電壓范圍，以及系統D/A轉換的實際線性度，以0～2V電壓作為隨機輸入信號，進行了測控系統信號采集實驗。根據實驗的多次測量數據，制作信號采集實驗曲線圖，如圖2所示。

從圖2中，可以很明顯地看出，測控系統采集的信號電壓范圍是0.29～2.15V，A/D轉換基本呈線性比例關系。同時，從圖2中，也可以看出，制作的測控系統采集部分還有不足之處：與設計的信號采集電壓范圍0～2V相比，測控系統采集的信號電壓范圍整體向上偏移；系統采集時易受外界的干擾，抗干擾能力需要提高。

2.2 信號輸出功能的調試及分析

為檢驗制作的測控系統輸出部分D/A轉換的實際線性度，以及輸出信號的波形形狀和穩定等情況，以10K正弦波為例，進行了測控系統信號輸出實驗。輸出的波形如圖3所示。

通過輸出的波形可以看出，波形基本成線性比例關系，波形也較穩定，但輸出部分還有不足之處，主要表現在：輸出的波形雖然穩定，但還有一些小的毛刺，輸出的波形部分較好，但波形整體不夠光滑，需要改進信號輸出部分的濾波器及其它相關電路。

2.3 測控系統總體分析

根據測控系統信號采集和輸出實驗，可以看出，學生制作的測控系統A/D和D/A轉換基本成線性比例關系，采集的信號電壓范圍基本與設計的相符，輸出信號的波形也很較穩定，但是從測控系統總體角度考慮，可以看出制作的測控系統還有不足：易受外界的干擾，濾波器及相關電路的設計還要改進等。針對這些不足，在測控系統后續研究時，可以嘗試采用下列措施：采用多層板布線，以減小電源、地的干擾；增加電源線、地線寬度；選用性能好的去耦電容；改進濾波器的設計。

3 結論

基于A/D轉換器TLC5510、P89C51RB2單片機、 D/A轉換器TLC7528等器件設計的高速測試系統，結構簡單，具有高速數據采集和一定的數據處理功能，涉及了單片機系統的硬件設計、軟件設計和實驗測試等整個過程。該實驗設計作為創新性實驗案例，已在我校機械設計制造及其自動化專業單片機原理及應用課程教學過程中得以實施，取得了良好的教學效果，既鍛煉了學生的實踐能力，也培養了學生的創新意識。

基金項目：陜西省教育廳自然科學專項（15JK1521），西安理工大學特色科學研究計劃（2013TS003）。

參考文獻

[1] 白璐，田曉柱，牛炳韜等. 大學生創新性實驗對創新型人才培養的研究[J].實驗室研究與探索，

2015，34（4）： 161-164.

[2] 石坤，魏鋒濤. 一種基于P89C51RB2 的振動主動控制系統[J].機電工程技術，2008，37（1）： 61-64.

[3] Philips. P89C51RB2/ P89C51RC2/ P89C51RD2 80C51 8-bit Flash microcontroller family [EB/OL]. 1999.

http：// www.nxp.com.

[4] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔. 電子設計從零開始[M]. 北京：清華大學出版社，2015.endprint