【文章內(nèi)容簡介】 擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存放到輸出寄存器中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過并行 → 串行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，由 AD_OUT端輸出到微處理器中。 TLC2543 和單片機(jī)的接口電路 設(shè)計 在 80C51 系列微處理器中都不帶 SPI 或相同的接口能力，為了和TLC2543 模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口，需要用軟件來合成 SPI 的操作，這樣數(shù)據(jù)傳送速率下降，受微處理器指令周期時間控制，因而受微處理器的時鐘頻率影響。因此要盡可能選擇微處理器的最高始終頻率，以減小指令周期時間，優(yōu)化接口數(shù)據(jù)傳輸速率。 如圖 5 所示， TLC2543 和單片機(jī)的接口電路。 TLC2543 的轉(zhuǎn)換結(jié)束端EOC、 I/O 時鐘、 串 行數(shù)據(jù)輸入端 AD_DIN、串行數(shù)據(jù)輸出端 AD_OUT 片選 CS 分別連接單片機(jī)的并行雙向 I/O 口 1 的管腳 、 、 、 、。 圖 5 TLC2543 與單片機(jī)的接口電路圖 在設(shè)計制作時要注意事項 ： (1)電源去耦 當(dāng)使用 TLC2543 這種 12 位 A/D 器件時，每個模擬 IC 的電源端必須用一個 F 的陶瓷電容連接到地，用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 9 中，建議每個電源和陶瓷電容端并 聯(lián) 一個 10μ F 的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。 (2)接地 對模擬器件和數(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模擬地回路引入，產(chǎn)生噪聲電壓，從而對模擬信號產(chǎn)生干擾。所有的地線回路都有一定的阻抗，因此地線要盡可 能寬或用地線平面，以減小阻抗，連線應(yīng)當(dāng)盡可能短，如果使用開關(guān)電源，則開關(guān)電源要遠(yuǎn)離模擬器件。 (3)電路板布線 使用 TLC2543 時一定要注意電路板的布線，電路板的布線要確保數(shù)字信號和模擬信號隔開，模擬線和數(shù)字線特別是時鐘信號線不能互相平行，也不能在 TLC2543 芯片下面布數(shù)字信號線。 電壓跟隨器的設(shè)計 電壓跟隨器由 3 個 LM324 四運放 電路 和若干個電阻和電容設(shè)計而成的。 在我們開始設(shè)計的時候采用的是 LM084 芯片，但是在調(diào)試電路的時候發(fā)現(xiàn) LM084 發(fā)熱量太大，在檢查電路沒有問題的情況下，由于 LM324 發(fā)熱量相對較小而且功能基本相同，所以最后采用了 LM324。下面簡要介紹一下 LM324。 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖 6 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、 “ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo ”為輸出端。兩個信號輸入端， Vi ()為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反； Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見圖 7。 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 6 圖 7 由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 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 。 同相輸入端的電阻和電容設(shè)計成了一個低通濾波器，目的是通過濾波保證模擬電壓信號能夠無失真的從輸出端輸出，電壓跟隨器采用的外部供電，其作用就是保證模擬輸入電壓能夠穩(wěn)定的輸入到數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換芯片，從而提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性。 制作 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板 選用 Altium公司的 Altium Designer 6 DXP 電子設(shè)計系統(tǒng)軟件來進(jìn)行電路板的設(shè)計制作。 Altium Designer 6 是最新一套完整的板卡級設(shè)計系統(tǒng)，真正實現(xiàn)在單個應(yīng)用程序中的集成。 Altium Designer 6 讓用戶可以選擇最適當(dāng)?shù)脑O(shè)計途徑來按自己想要的方式工作。 Altium Designer 6 線路圖設(shè)計系統(tǒng)完全利用了 Windows XP 和 Windows 2021 平臺的優(yōu)勢，具有改進(jìn) 的穩(wěn)定性、增強(qiáng)的圖形功能和超強(qiáng)的用戶界面。 LM324 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 11 畫原理圖 原理圖 (見圖 9)前部分為 數(shù)據(jù)采集模塊 ， 電壓跟隨器 為 TLC2543 提供穩(wěn)定的模擬輸入電壓 。后半部分為 數(shù)據(jù)通信模塊。 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 LM336 穩(wěn)壓 管和滑動變阻器 將 12V 電源轉(zhuǎn)換到 5V。 制作原理圖步驟 ： (1) 創(chuàng)建一個新的 PCB 項目 (2) 創(chuàng)建一個新的原理圖圖紙 (3) 放置器件 (4) 連接電路 畫 PCB圖 在 PCB 設(shè)計中，布線是完 成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，在整個 PCB 中，以布線的設(shè)計過程限定最高，技巧最細(xì)、工作量最大。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線。由于本設(shè)計 采用的是 單面板且用交互式布線既手工布線。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)通信模塊 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 12 對于 單面板 ， 設(shè)計的難點是如何減少跳線情況下把線路布通 。 此次設(shè)計經(jīng)過合理放置元件和多次改進(jìn)，最后終于克服一切困難，在跳線 很少 的情況下把線路布通 ， 達(dá)到了設(shè)計的目標(biāo)。 為了防止外部電磁干擾，采用了電路板外部用相對較寬的銅線構(gòu)成非閉合的保護(hù)電路。在電路內(nèi)部， 直接用板上剩余空間的大面積 接地來提高電路信號的穩(wěn)定性。如圖 10 所示。 圖 10 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) PCB 圖 PCB 布線原則： (1)電源、地線的處理 電源、地線的處理不好會引起干擾，使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電、地線的布線要認(rèn)真對待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度。 ? 在電源、地線之間加上去耦電容，濾除噪音干擾。 ? 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＞信號線，對數(shù)字電路的 PCB 可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路 , 即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用 (模擬電路的地不能這樣使用 )。 ? 用大面積銅層作地線用 ,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接 作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。 (2) 數(shù)字電路與模擬電路的共地處理 現(xiàn)在有許多 PCB 不再是單一功能電路 (數(shù)字或模擬電路 )，而是由數(shù)字電和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 13 題，特別是地線上的噪音干擾。 數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個 PCB 對外界只有一個結(jié)點，所以必須在 PCB 內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的，只是在 PCB 與外界連接的接口處 (如插頭等 )，數(shù)字地與模擬地有一點短接，這在設(shè)計時必須考慮，只有一個連接點。也有在 PCB 上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計來決定。 (3) 設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC) 布線設(shè)計完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則，同時也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面： ① 線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。 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。 ③ 對于 關(guān)鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護(hù)線，輸入線及輸出線被明顯地分開。 ④ 模擬電路和數(shù)字電路部分，是否有各自獨立的地線。 ⑤ 后加在 PCB 中的圖形 (如圖標(biāo)、注標(biāo) )是否會造成信號短路。 (4) 制作電路板 ① 打印 PCB 圖。打印時注意打印層的設(shè)置，還有要保留焊盤孔，方便后面的鉆孔。 ② 曝光感光板。把打印紙的正面向下平放在感光板上，用玻璃壓緊，然后在白熾燈下照射大約 12 分鐘。 ③ 感光板顯像和蝕刻 。 ④ 鉆孔、插元器件、焊接 。 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 14 4 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 軟件編程 TLC2543 的工作原理 TLC2543 的工作過程 TLC2543 的工作過程分為兩個周期： I/O 周期和轉(zhuǎn)換周期。 (1) I/O 周期 I/O 周期由外部提供的 I/O CLOCK 定義，延續(xù) 12 或 16 個時鐘周期，決定于選定的數(shù)據(jù)長度。器件進(jìn)入 I/O 周期后進(jìn)行兩種操作。首先，在I/OCLOCK 的前 8 個脈沖的上升沿，以 MSB 前導(dǎo)方式從 DATA INPUT 端輸入 8 位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。其中前 4 位為模擬通道地址，控制 14 通道模擬多路器從 11 個模擬輸入和 3 個內(nèi)部測試電壓中選通一路送到采樣保持電路，該電路從第 4 個 I/O CLOCK 脈沖的 下降沿開始對所選信號進(jìn)行采樣，直到最后一個 I/O CLOCK 脈沖的下降沿。 I/O 周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度 (位數(shù) )同時由輸入數(shù)據(jù)的 D D2 位選擇為 12 或 16。當(dāng)工作于 12 或 16 位時，在前 8 個時鐘脈沖之后， DATA INPUT 無效。其次，在DATA OUT 端串行輸出 8 位、 12 或 16 位數(shù)據(jù)。當(dāng) cs 保持為低時，第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 EOC 的上升沿。若轉(zhuǎn)換由 cs 控制，則第一個輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在 cs的下降沿。這個數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在第一個輸出數(shù)據(jù)之后的每一個后續(xù)位均有后續(xù)的 I/O 時鐘下降沿輸出。 (2) 轉(zhuǎn)換周期 在 I/O 周期的最后一個 I/O CLOCK 下降沿之后， EOC 變低，采樣值保持不變，轉(zhuǎn)換周期開始，片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進(jìn)行逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換，其工作由與 I/O CLOCK 同步的內(nèi)部時鐘控制。轉(zhuǎn)換完成后 EOC 變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個 I/O 周期輸出。 I/O 周期和轉(zhuǎn)換周期交替進(jìn)行，從而可減小外部數(shù)字 噪 聲對轉(zhuǎn)換精度的影響。 接口時序 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 個時鐘周期。 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 15 一個片選 ( cs )脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處，或是在轉(zhuǎn)換時序的開始處變化一次后保持 cs 為低，直到時序結(jié)束。 圖 11 顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用 12 個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入 cs 的時序，圖 12 顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用 12 個時鐘周期，僅在每次轉(zhuǎn)換序列開始處插入一次 cs 時序。 圖 11 12 時鐘時序傳送圖 (使用 ， MSB 在前 ) 圖 12 12 時鐘時序傳送圖 (不使用 ， MSB 在前 ) 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 16 采集模塊程序設(shè)計 在系統(tǒng)上電后， cs 必須從高變到低后開始一次 I/O 周期。 EOC 開始為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為全零。輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的，并且第一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果將被忽略。為了對器件初始化， cs 被轉(zhuǎn)為高再回到低后開始下一次 I/O 周期。在器件從掉電狀態(tài)返回后的第一次轉(zhuǎn)換，由于器件的內(nèi)部調(diào)整，讀數(shù)可能不準(zhǔn)確。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖 如圖 13 所示。 圖 13 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖 采集 程序設(shè)計為一個循環(huán)程序，在一個循環(huán)中完成以下工作： A/D 轉(zhuǎn)換器 通過 AD_DIN 從單片機(jī)接收 命令字 選取通道、時鐘和極性 ， 然后進(jìn)入 系統(tǒng)上電 m++，通道值是否大于 14 系統(tǒng)初始化通道、時鐘、極性 設(shè)定采集通道 m＝ 0 A/D 轉(zhuǎn)換程 序 返回 數(shù)據(jù) AdResult＝ datah*256+datal 到單片機(jī) 否 是 基于 80C51 單片機(jī)和 TLC2543 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 17 采樣周