【文章內(nèi)容簡介】 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。兩個(gè)信號(hào)輸入端，Vi()為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖7。 圖 6 圖 7由于 LM324 四運(yùn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。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。同相輸入端的電阻和電容設(shè)計(jì)成了一個(gè)低通濾波器，目的是通過濾波保證模擬電壓信號(hào)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(jì)系統(tǒng)軟件來進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)制作。Altium Designer 6是最新一套完整的板卡級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)在單個(gè)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(jì)途徑來按自己想要的方式工作。Altium Designer 6線路圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全利用了Windows XP和Windows 2000平臺(tái)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。 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。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LM336穩(wěn)壓管和滑動(dòng)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(gè)新的PCB項(xiàng)目(2) 創(chuàng)建一個(gè)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(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，在整個(gè)PCB中，以布線的設(shè)計(jì)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(dòng)布線及交互式布線。由于本設(shè)計(jì)采用的是單面板且用交互式布線既手工布線。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。此次設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(hào)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(huì)引起干擾，使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、地線的布線要認(rèn)真對(duì)待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度。l 在電源、地線之間加上去耦電容，濾除噪音干擾。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)來使用(模擬電路的地不能這樣使用)。 l 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?；蚴亲龀啥鄬影?，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(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問題，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(duì)信號(hào)線來說，高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對(duì)地線來說，整個(gè)PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)短接，這在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮，只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來決定。(3) 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)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(gè)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(duì)于關(guān)鍵的信號(hào)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(dú)立的地線。 ⑤后加在PCB中的圖形(如圖標(biāo)、注標(biāo))是否會(huì)造成信號(hào)短路。 (4) 制作電路板①打印PCB圖。打印時(shí)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。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(gè)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(gè)時(shí)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(gè)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(gè)模擬輸入和3個(gè)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(gè)I/O CLOCK脈沖的下降沿開始對(duì)所選信號(hào)進(jìn)行采樣，直到最后一個(gè)I/O CLOCK脈沖的下降沿。I/O周期的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度(位數(shù))同時(shí)由輸入數(shù)據(jù)的DD2位選擇為12或16。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無效。其次，在DATA OUT端串行輸出8位、12或16位數(shù)據(jù)。當(dāng)保持為低時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在EOC的上升沿。若轉(zhuǎn)換由控制，則第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在的下降沿。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。(2) 轉(zhuǎn)換周期在I/O周期的最后一個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響。 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。一個(gè)片選()脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處，或是在轉(zhuǎn)換時(shí)序的開始處變化一次后保持 為低，直到時(shí)序結(jié)束。圖11顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用12個(gè)時(shí)鐘周期和在每次傳遞周期之間插入 的時(shí)序，圖12顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用12個(gè)時(shí)鐘周期，僅在每次轉(zhuǎn)換序列開始處插入一次 時(shí)序。圖 11 12時(shí)鐘時(shí)序傳送圖(使用，MSB在前)圖12 12時(shí)鐘時(shí)序傳送圖(不使用，MSB在前) 采集模塊程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)上電后，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(duì)器件初始化，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。系統(tǒng)上電m++，通道值是否大于14系統(tǒng)初始化通道、時(shí)鐘、極性設(shè)定采集通道m(xù)＝0A/D轉(zhuǎn)換程序返回?cái)?shù)據(jù)AdResult＝datah*256+datal到單片機(jī)否是圖13 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖采集程序設(shè)計(jì)為一個(gè)循環(huán)程序，在一個(gè)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(shí)鐘和極性，然后進(jìn)入采樣周期，在I/O周期的最后一個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)I/O周期輸出。當(dāng)下一個(gè)I/O周期開始時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果從AD_OUT串行輸入到單片機(jī)的外部存儲(chǔ)器中。 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。由于TLC2543有3種時(shí)鐘模式分別為12和16時(shí)鐘，其中默認(rèn)的為12時(shí)鐘，出于對(duì)系統(tǒng)通用的考慮，在A/D轉(zhuǎn)換子程序中把它設(shè)計(jì)成可選時(shí)鐘模式。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，TLC2543輸出結(jié)果設(shè)置成12位無符號(hào)整型數(shù)，輸出順序?yàn)楦呶辉谇扒覟閱螛O性。在每一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程中，TLC2543都要從串行輸入端AD_DIN讀取由單片機(jī)輸入的控制字來選定對(duì)某個(gè)或多個(gè)通道進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入輸出數(shù)據(jù)寄存器AD_OUT。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。但是由于采集的為12 位數(shù)據(jù)，對(duì)于8 位單片機(jī)，要存放在兩個(gè)內(nèi)存地址中，因此需要利用AdResult = datah *256+datal合成后再返回給主程序送入單片機(jī)。本程序不僅實(shí)現(xiàn)了14路模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集而且可以任意選擇一路或多路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)合成了SPI功能使TLC2543A/D轉(zhuǎn)換芯片和P89C51RA2單片機(jī)能夠快速的進(jìn)行正常通信。但是還存在一定的問題，需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步改進(jìn)。A/D轉(zhuǎn)換的詳細(xì)程序見附錄A。在 TLC2543 的編程中注意以下幾個(gè)問題： (1)一個(gè)輸入輸出工作周期為 12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，隨著12個(gè)時(shí)鐘信