【正文】 題 目： 基于80C51單片機(jī)和TLC2543的多路 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 年 級(jí)： 學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 系 別： 電子通信系 專 業(yè)： 通信工程 指導(dǎo)教師： 完成日期： 摘 要在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中,常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該系統(tǒng)還可通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到在PC機(jī)上實(shí)時(shí)的顯示、存儲(chǔ)和處理采樣數(shù)據(jù)的目的。 data acquisition目 錄摘 要 IAbstract II1 引言 1 研究意義 1 研究?jī)?nèi)容 1 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 2 3 基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3 3 硬件電路的芯片選擇 5 單片機(jī)芯片選擇 5 模—數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇 6 TLC2543和單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 8 電壓跟隨器的設(shè)計(jì) 9 制作USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板 10 畫原理圖 11 畫PCB圖 11 4 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件編程 14 TLC2543的工作原理 14 TLC2543的工作過(guò)程 14 接口時(shí)序 14 采集模塊程序設(shè)計(jì) 16 A/D轉(zhuǎn)化程序設(shè)計(jì) 17 5 系統(tǒng)調(diào)試 18 6 結(jié)束語(yǔ) 20 致 謝 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄 A：A/D轉(zhuǎn)換程序 23 附錄 B：主程序 26 1 引言 研究意義在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。而利用Philips公司推出的增強(qiáng)型80C51單片機(jī)系列P89C51RA2和TI公司的11路12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543組成多路高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)14路模擬信號(hào)的采集，然后根據(jù)需要將14路模擬信號(hào)中的任一路或多路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)USB接口，在PC機(jī)上實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成在任何計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，都是從盡量快速，盡量準(zhǔn)確，盡量完整的獲得數(shù)字形式的數(shù)據(jù)開始的。因?yàn)橛晌⑻幚砥魅ネ瓿沙绦蚩刂疲瑪?shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大的提高，系統(tǒng)的硬件成本和系統(tǒng)的重建費(fèi)用大大的降低。信號(hào)調(diào)理的主要功能是：(1)目前標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)儀表通常采用0~10Ma，4~20mA信號(hào)，為了和A/D的輸入形式相適應(yīng)，必須經(jīng)I/V變換成電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路包括電橋，放大，濾波，隔離等電路。解決的辦法有：采用熱電阻溫度變送器：智能傳感器加通訊方式連接：采用三線制連接方法。用二極管和穩(wěn)壓管的限幅方法會(huì)產(chǎn)生一定的非線性且靈敏度下降，這可以通過(guò)后級(jí)增益調(diào)整和非線性校正補(bǔ)償。隔離是克服共模干擾影響的有效措施。而通用串行總線的出現(xiàn)，很好地解決了上述這些沖突，很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這不僅能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)有利于系統(tǒng)的維護(hù)。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。同時(shí)可以控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟停、數(shù)據(jù)存取器的存取、USB外設(shè)芯片的工作、顯示圖形的放大和縮小等。在系統(tǒng)編程 ISP(InSystem Programming)，當(dāng)MCU安裝在用戶板上時(shí)允許用戶下載新的代碼。該系列微控制器是 80C51 微控制器的派生器件是采用先進(jìn)CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統(tǒng)與80C51完全相同。其A/D轉(zhuǎn)換器的種類也越來(lái)越多，目前使用廣泛的有:逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、余數(shù)反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器和∑—?式A/D轉(zhuǎn)換器等等。(2) 余數(shù)反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器：這種轉(zhuǎn)換方式分辨率很高，量化誤差小，轉(zhuǎn)換精度高。(4) V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器:由于應(yīng)用了積分電容，具有很好的抗干擾性能、良好的線性度和高的分辨率，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在本系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際需要和性價(jià)比綜合考慮，采用了TI公司生產(chǎn)的TLC2543C，11路12位開關(guān)電容逐次逼近串行A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率為66 kbit /s，在工作溫度范圍內(nèi)10us轉(zhuǎn)換時(shí)間。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，本器件有一個(gè)片內(nèi)的14通道多路器可以在11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試(SELFTEST)電壓中任意選擇一個(gè)。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。圖4 TLC2543內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TLC2543內(nèi)部由通道選擇器、輸入地址寄存器、采樣保持電路、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸出寄存器、并→串轉(zhuǎn)換器以及控制邏輯電路等7個(gè)部分組成。如圖5所示，TLC2543和單片機(jī)的接口電路。(2)接地對(duì)模擬器件和數(shù)字器件，電源的地線回路必須分開，以防止數(shù)字部分的噪聲電流通過(guò)模擬地回路引入，產(chǎn)生噪聲電壓，從而對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾。在我們開始設(shè)計(jì)的時(shí)候采用的是LM084芯片，但是在調(diào)試電路的時(shí)候發(fā)現(xiàn)LM084發(fā)熱量太大，在檢查電路沒有問(wèn)題的情況下，由于LM324發(fā)熱量相對(duì)較小而且功能基本相同，所以最后采用了LM324。每一組運(yùn)算放大器可用圖 6所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“+”、“”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。LM324圖 8電壓跟隨器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8為其中一路的電路圖。Altium Designer 6讓用戶可以選擇最適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)途徑來(lái)按自己想要的方式工作。數(shù)據(jù)通信模塊數(shù)據(jù)采集模塊圖 9 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源使用外接12V電源供電，而芯片TLC2543所需的5V基準(zhǔn)電壓源則通過(guò)LM336穩(wěn)壓管和滑動(dòng)變阻器將12V電源轉(zhuǎn)換到5V。對(duì)于單面板，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何減少跳線情況下把線路布通。如圖10所示。l 盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號(hào)線，對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地不能這樣使用)。因此在布線時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問(wèn)題，特別是地線上的噪音干擾。 ②電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合(低的波阻抗)，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。 (4) 制作電路板①打印PCB圖。③感光板顯像和蝕刻。器件進(jìn)入I/O周期后進(jìn)行兩種操作。當(dāng)工作于12或16位時(shí)，在前8個(gè)時(shí)鐘脈沖之后，DATA INPUT無(wú)效。這個(gè)數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)之后的每一個(gè)后續(xù)位均有后續(xù)的I/O時(shí)鐘下降沿輸出。 接口時(shí)序可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辨率，每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞可以使用12或16個(gè)時(shí)鐘周期。EOC開始為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為全零。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖如圖13所示。 A/D轉(zhuǎn)化程序設(shè)計(jì)在主程序Mainloop中使用函數(shù)init_ADC(m | OUTPUTLENGHT_12 | UNIPOLAR)對(duì)A/D芯片進(jìn)行初始化，定義了系統(tǒng)的初始通道、時(shí)鐘模式以及極性。在下一個(gè)I/O周期中，由數(shù)據(jù)輸出端AD_OUT串行輸出到單片機(jī)的外部寄存器。A/D轉(zhuǎn)換的詳細(xì)程序見附錄A。而在工作周期循環(huán),若累加器 A 中數(shù)據(jù)沒有處理好，容易把非法的控制字帶入TLC2543，引起輸出數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤，這一點(diǎn)應(yīng)予特別注意。(4)對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)果用二進(jìn)制方式輸出，當(dāng)輸入電壓等于時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為 12個(gè)“1”，即(1111 1111 1111)，當(dāng)輸入電壓等于 時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為12個(gè)“0”，即(0000 0000 0000)，當(dāng)輸入電壓等于( + )/ 2 時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為(1000 0000 0000)，供校正參考。 (1) 拿到電路板之后不要急于焊接元件，要先認(rèn)真檢查板子連線是否存在短 路、斷路的情況，在確認(rèn)無(wú)誤之后，然后可以加電測(cè)試電源供電情況。A/D電路的測(cè)試是通過(guò)采樣一組確定電壓并通過(guò)USB接口送往PC機(jī)觀察，由于TLC2543芯片有3個(gè)內(nèi)測(cè)電壓即REF+、REF、(REF+ +REF)/2，它們的值是固定不變的，分別為5v、可以通過(guò)這3個(gè)通道的值來(lái)確定A/D電路采集的數(shù)據(jù)是否正確，同樣也得到AD電路能夠正常工作的結(jié)論。6 結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合型的題目，它涉及硬件設(shè)計(jì)、單片機(jī)C51高級(jí)語(yǔ)言編程和電子專業(yè)的知識(shí)。由于時(shí)間倉(cāng)促和知識(shí)有限，致使許多部分都未能完善，存在著很多錯(cuò)誤和問(wèn)題，敬請(qǐng)各位老師同學(xué)提出、指正和批評(píng)。張老師不僅為我提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和齊全的工具設(shè)備，使我能夠更好的完成設(shè)計(jì)，還幫我解決掉了很多設(shè)計(jì)中遇到的困難。還要感謝我的父母、哥哥、姐姐是他們?cè)诒澈竽闹С治?，僅以此文獻(xiàn)給他們。 //輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)sbit AD_DIN = P1^2。 //轉(zhuǎn)換結(jié)束端 //REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。if((TongDaoamp。 else k=16。 //我們采集上邊沿 for(j=0。 //取tongdao最高位 TongDao=1。unsigned int AdResult。0x04)==0x00)