基于單片機的電路信息實時采集系統設計

2017-11-18 20:18:07張海蓉冀慎統郭紅安

現代電子技術 2017年22期

張海蓉　冀慎統　郭紅安

摘要：為了提高電路信息實時采集的穩定性和可靠性，提出基于STC89C52單片機的電路信息實時采集系統設計方法。構造電路信息實時采集系統的總體結構模型，系統分為繼電器模塊、單片機控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。采用UART循環堆棧控制方法進行信號采樣值幅度調整，對采集的實時信號通過放大濾波器輸出至A/D轉換器，采用單片機進行壓控放大控制，輸出高、低電壓至繼電器，實現實時采集信號的存儲和放大輸出。測試結果表明，信息實時采集系統具有較高的信號輸出放大增益，信號輸出的收斂性較好。

關鍵詞： STC89C52；電路信息采集；信號存儲；信號輸出；系統設計

中圖分類號： TN431.1?34； TN710 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0085?03

Abstract： In order to improve the stability and reliability of circuit information real?time acquisition， a design method of real?time circuit information acquisition system based on STC89C52 microcontroller is proposed. The overall structure model of real?time acquisition system for circuit information was built. The system is divided into four primary parts： relay module， MCU control module， A/D sampling circuit module and output interface module. UART cycle stack control method is adopted to adjust the signal sampling value， and output the acquired real?time signal to A/D converter through amplifying filter. The single?chip microcomputer is adopted to execute voltage control and amplification control， and output high voltage and low voltage to the relay to realize storage， amplification and output of the real?time acquired signal. The test results show that the real?time information acquisition system has high signal output amplification gain and perfect signal output convergence.

Keywords： STC89C52； circuit information acquisition； signal storage； signal output； system design

0 引言

信號廣泛存在于人們的生活中，常見的信號有振動信號、聲信號、電信號、電磁波信號、雷達信號等，需要對這些信號進行實時采集和信息處理，結合信號放大濾波、信號調制解調設計，在信號采集系統中得到有用信息[1]。信號與信息采集在目標識別、故障診斷、模式識別和狀態監測等領域具有廣泛的應用價值。為了提高信號與信息采集的實時性，本文利用單片機的集成控制功能進行信息采集系統優化設計，結合電路集成設計方案，實現基于單片機的電路信息采集系統優化設計。

1 系統設計總體結構

為了實現基于單片機的電路信息實時采集系統優化設計，首先進行系統的總體設計構造。在信號與信息實時采集系統設計中，數據采集和A/D轉換是基于單片機的信號與信息實時采集系統的核心[2]。在主程序中設計定時器T0和T1，采用T0中斷服務程序進行信號的實時采集和串口通信設計，在LabWindows/CVI環境下進行單片機的程序編譯和信息加載[3]。系統分為繼電器模塊、單片機控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。利用5409A集成智能DSP芯片進行信號集成處理，對PCI總線進行電路實時信息采樣，在信號預處理機完成信號的放大、濾波后，在人機交互模塊接收PCI總線傳遞的用戶信息，實現對信號頻譜分析和開關控制；輸出單片機的控制頻率以及D/A，完成采樣率、采樣通道數等參數設計；在繼電器模塊中完成電平或輸出動態增益控制。根據上述設計原理，得到基于單片機的電路信息實時采集系統總體結構如圖1所示。

2 硬件電路設計部分

2.1 電路結構分析

硬件電路設計是本系統設計的核心。采用集成模塊化設計方法進行信息實時采集系統的硬件電路設計；采用STC89C52單片機控制D/A轉換器，對采集的實時信號進行FIR濾波，對輸入到通信模塊中的信號進行數/模轉換。在休眠控制狀態下，通過輸出動態增益控制碼到存儲接口，對采集的實時信號進行數據轉換；在信號采集的存儲模塊中利用壓控放大器進行功率放大控制[4]。根據上述分析，設計信號與信息采集系統的電路模塊化分布如圖2所示。

2.2 電路核心器件選擇

本文設計的信號與信息采集系統采用STC89C52單片機作為主控芯片，用MUX101程控電路進行干擾復位或掉電后復位設計[5]。結合信號采集系統的設計要求，給出設計技術指標：低通濾波器截止頻率范圍為10～20 Hz，數據采集放大量為40 dB，輸出信號幅度為12 V；寬帶基陣阻抗匹配動態增益范圍為20～24 dB，信息采集IDE通道為12通道同步、異步輸入；模擬信號的采樣率[≥]30 kHz；外部存儲器的信息存儲容量[≥]200 GB；D/A分辨率為12位（至少）；收發轉換速率[≥100 kHz]；PCI總線輸出有3個多通道緩沖串口McBSPs。endprint

根據上述設計技術指標，本系統選擇核心器件采用工業標準Codec作為串行A/D、D/A 設備，構造三緩存的接收寄存器，通過（R/X）DATDLY設置中斷電路和復位電路，在信息傳輸通道提供全雙工通信機制[6]。用串口PHASE設置信息接收單元，在（R/X）PHASE中設置外部數據存儲器初始值。用IDT公司IDT70V28作為復位電路控制芯片，使得電路信息實時采集系統支持3.3 V供電電壓，高運行速度可以達15～20 ns。

2.3 電路設計實現

采用低功耗的STC89C52單片機進行電路的模塊化設計，分別對系統的繼電器模塊、單片機控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊詳細設計描述如下：

系統選用了MBM29LV400BC作為繼電器模塊的空間尋址芯片，采用雙端口RAM進行采集信號的放大濾波和調制設計，輸入到FLASH片選芯片中，通過CPLD完成輸入控制和信號的讀、寫操作。在信號采集系統的輸入端，系統的輸入信號為[U1Ai]，則此時負載僅為G，那么工作中心頻率f0處電路輸出電壓和電流幅值關系為：

本文設計[A1=]125，實測[A1=]103。根據上述分析，進行電路信息實時采集系統的繼電器模塊與單片機控制模塊的接口設計。采用Mux101多路數據轉換器進行電壓放大[7]，放大分貝數由它的控制電壓決定為[Vgain=10-2（Vc+1）]。采用晶振頻率放大電路進行系統復位，當計數器的值為0～[M1]時，模擬輸入是[±]10 V時，采樣序列轉換的滿幅值為20 V。在單片機控制模塊中，LSB為[FSR4 096=]4.883 mV，VDD（6腳）為正電源輸入端，模擬輸入AGND+[32]LSB，DSP數據線通過FB（10腳）輸入到信息采集系統的中央放大器處理單元，輸出范圍0～4.095 V，A4～A0和[IOSTRB]譯碼輸入數據[D0～D5]，完成數據的寄存和緩存功能。電源芯片采用TPS767D301，在輸出接口單元[D0～D5]（3，2，1，18，17，16）控制低通濾波器截止頻率的碼字，避免外部電源帶來的電磁干擾。在系統時鐘 fclk 的控制下，A/D采樣電路模塊采樣頻率[8]設定為[fcp]= 3.595 kHz時，通過內建JTAG接口完成采集信號存儲和放大輸出。

3 電路測試分析

在完成了信息實時采集系統的硬件電路設計的基礎上，對采集的實時信號通過放大濾波器輸出至A/D轉換器，進行采集信號分析，并在WIN32系統中進行系統調試分析，用API函數的CreateFile（）單片機控制函數打開電路信號寫入功能，在片外I/O外設選通脈沖，得系統采集輸出信號波形如圖3所示。

分析圖3得知，本文設計的電路系統采集的信號具有較高的信號輸出放大增益，輸出信號穩定性和收斂性較好，信號采樣的實時性較好，抗干擾能力強。

4 結語

本文提出基于STC89C52單片機的電路信息實時采集系統設計方法，并進行了電路測試。電路測試結果表明，本文設計的電路信息實時采集系統，具有較高的信號輸出放大增益，信號輸出性能較好。

注：本文通訊作者為冀慎統。

參考文獻

[1] 王智慧，楊康，解慧中.基于卡爾曼濾波的激光通信跟蹤系統[J].激光雜志，2016，37（12）：103?105.

[2] 王維猛，焦榮華，李曉輝.TD?SCDMA系統DOA?TOA定位技術研究[J].現代電子技術，2014，37（8）：1?4.

[3] 胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統應用現狀及發展趨勢[J].電力系統自動化，2014（2）：131?135.

[4] 陳穎峰，王玉紅，王蕾.基于ARM和LabVIEW的網絡數據采集測試系統設計[J].現代電子技術，2016，39（13）：88?92.

[5] 王洪迅，王士巖，王星，等.瞬時測頻系統的線性調頻信號分析及改進[J].兵工學報，2014，35（8）：1193?1199.