基于ADuC824的數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)

王韌

湖南建材高等專科學(xué)校電子信息系，湖南衡陽(yáng)421008


　�。壅�　要］　介紹了ADuC824的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，結(jié)合K9S2808V0A構(gòu)成便攜式數(shù)據(jù)采集儀，并給出了軟、硬件設(shè)計(jì)的方法。


　�。坳P(guān)鍵詞］　ADuC824；數(shù)據(jù)采集；便攜式


　　1 前 言


　　數(shù)據(jù)采集儀可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。通常對(duì)數(shù)據(jù)采集儀的要求是采集速度快、精度高、存儲(chǔ)容量大、抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，儀器操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，并能靈活選擇數(shù)據(jù)輸出的方式，而采用普通微控制器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很難滿足上述要求。該文介紹一種以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC824為核心，配合大容量快閃存儲(chǔ)器K9S2808V0A芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集儀的軟、硬件設(shè)計(jì)方法。該采集儀特別適用于野外及環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)所。


　　2　便攜式數(shù)據(jù)采集儀的硬件系統(tǒng)組成


　　便攜式數(shù)據(jù)采集儀的硬件系統(tǒng)組成如圖2－1所示。





　　采集儀采用美國(guó)AD公司推出的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC824，它可以同時(shí)接收多路模擬信號(hào)，并能選擇模擬信號(hào)的輸入方式（直接輸入或差分輸入），利用分時(shí)進(jìn)行采集，可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。外部模擬信號(hào)在A－DuC824內(nèi)部完成多路選擇、緩沖、程控增益放大、低通濾波及模／數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)模擬信號(hào)的特征，采集人員可以通過(guò)鍵盤選擇不同的采樣速率、數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、抗干擾處理，處理后的數(shù)據(jù)與時(shí)間信息一起直接存入外部大容量快閃存儲(chǔ)器K9S2808V0A中，同時(shí)通過(guò)LED顯示器顯示。用戶如需進(jìn)一步分析處理數(shù)據(jù)，可通過(guò)打印機(jī)接口外接微型打印機(jī)直接打印輸出，也可通過(guò)通信接口傳送至上位機(jī)，再采用專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或綜合處理。


　　2．1　ADuC824芯片簡(jiǎn)介［1］


　　ADuC824是美國(guó)AD公司出品的高性能微轉(zhuǎn)換器，是一種具有真正意義的完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片。它在單個(gè)芯片內(nèi)集成了雙路高精度∑-△ADC、溫度傳感器、程控增益放大器PGA、8位MCU、FlashMemory、RAM以及定時(shí)器／計(jì)數(shù)器等功能部件，具有52引腳，采用PQFP（即塑料四方形扁平）封裝，圖2－2是ADuC824的內(nèi)部功能框圖。它的組成及特點(diǎn)如下：


　　（1）基于8051的內(nèi)核，指令集與8051兼容；可采用32kHz的晶振工作，利用片內(nèi)PLL（鎖相環(huán)）產(chǎn)生內(nèi)部所需的工作頻率，MCU內(nèi)核工作頻率和數(shù)據(jù)輸出率可編程，輸出精度隨程控增益和輸出數(shù)據(jù)速率的變化而改變；3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；26根可編程I/O線；12個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。





　�。�2）8KB片內(nèi)閃速／電擦除程序存儲(chǔ)器；640B片內(nèi)閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；片內(nèi)電荷泵（不需要外部VPP）；256B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM；可擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器空間和16MB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。


　�。�3）兩個(gè)獨(dú)立的∑-△ADC通道，主、輔助通道的分辨率分別為24和16位，具有可編程自校正功能；12位電壓輸出型的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；片內(nèi)溫度傳感器；兩個(gè)激勵(lì)電流源；基準(zhǔn)檢測(cè)電路；定時(shí)間隔計(jì)數(shù)器（TIC）。


　�。�4）采用3V、5V電壓工作；具有正常、空閑和掉電3種工作模式。


　�。�5）一個(gè)通用UART串行I／O；一個(gè)與I2C兼容的二線串口和SPI串口；一個(gè)看門狗定時(shí)器（WDT）；一個(gè)電源監(jiān)視器（PSM）。


　　2．2　數(shù)據(jù)采集儀的接口電路［2］


　　數(shù)據(jù)采集儀的接口電路包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、日歷時(shí)鐘電路、鍵盤／顯示電路及打印、通信電路等幾個(gè)部分。


　　（1）日歷時(shí)鐘接口電路


　　為了實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，采集儀設(shè)計(jì)了一個(gè)日歷時(shí)鐘接口電路。日歷時(shí)鐘芯片選用Dallas公司的DS12C887，該芯片采用CMOS工藝，內(nèi)部集成了芯片工作所需的晶振和鋰電池等相關(guān)電路，能夠自動(dòng)產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，具有功耗低、精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。DS12C887與ADuC824的接口電路見(jiàn)圖2－3。其中，MOT：模式選擇，此處接地，選擇Intel模式；AD0～AD7：分時(shí)復(fù)用地址／數(shù)據(jù)總線；AS：地址選通；／DS：數(shù)據(jù)讀允許；R／W：數(shù)據(jù)寫允許；／CS：片選；／RESET：復(fù)位。它們分別與ADuC824的P0口、ALE、／RD、／WR、P3．5及＋5V相連。





　�。�2）通信、打印接口電路


　　為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（PC機(jī)）的通信，選用MAX232芯片組成通信接口電路，MAX232是一種雙路RS－232數(shù)據(jù)收發(fā)器，只需＋5V電源供電，圖2－3是它與ADuC824的接口電路，其中ADuC824的TxD、RxD分別與MAX232的T21N、R20UT相連，而MAX232的T20UT、R2IN接至PC機(jī)。


　　打印接口電路可通過(guò)ADuC824擴(kuò)展一片可編程并行I／O接口芯片（如8255）來(lái)實(shí)現(xiàn)，用以完成采集儀數(shù)據(jù)的直接打印輸出。


　�。�3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路


　　ADuC824片內(nèi)雖然包含了640B閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和256B的RAM，但相對(duì)說(shuō)來(lái)其容量畢竟有限，不能滿足數(shù)據(jù)采集儀的要求，因此，系統(tǒng)擴(kuò)展了16MB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)芯片選用三星公司新品大容量閃速存儲(chǔ)器K9S2808V0A。


　　K9S2808V0A為22引腳表面封裝器件，單片容量16MB（16M×8），其突出優(yōu)點(diǎn)是：命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過(guò)8條I／O線傳輸，尋址內(nèi)存單元的地址線不作為芯片的引腳，24位地址分3次寫入地址寄存器，譯碼后找到相應(yīng)的單元，電路連線簡(jiǎn)單，可靠性高，圖2－4是它與ADuC824的接口電路。其中，CLE：命令鎖存使能，ALE：地址鎖存使能，CE：片選，RE、WE：讀、寫使能，R／B：操作狀態(tài)指示，I／O口：三態(tài)，輸入命令、地址和數(shù)據(jù)以及讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，它們分別與ADuC824的P1．1、ALE、P1．0、／RD、／WR、P1．2、P0口相連。K9S2808V0A的各種操作具有共同的特點(diǎn)，即在I／O口上首先發(fā)送操作命令到命令寄存器，其后的連續(xù)3個(gè)周期發(fā)送要操作單元的地址。





　　（4）顯示、鍵盤接口電路


　　為了提高數(shù)據(jù)采集儀的抗干擾性能，節(jié)省A－DuC824的資源，接口電路采用鍵盤、顯示專用接口芯片MAX7219構(gòu)成。MAX7219是美國(guó)MAXIM公司推出的多功能串行LED顯示驅(qū)動(dòng)器，采用3線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與ADuC824接口。它內(nèi)含硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制，每片可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED數(shù)碼管，當(dāng)多片MAX7219級(jí)聯(lián)時(shí)，可控制更多的LED。
MAX7219是共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，其SEGA－G和SEGH為L(zhǎng)ED七段顯示器段和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端，輸出段控信號(hào)，DIG0～7為8位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線，輸出位選信號(hào)，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端，CLK為串行時(shí)鐘輸入端，DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端，在級(jí)聯(lián)時(shí)傳到下一片MAX7219的DIN端，LOAD為裝入數(shù)據(jù)控制端，ISET端通過(guò)一個(gè)電阻與電源相連，以提供給LED段的峰值電流。圖2－4是它與ADuC824的接口電路，采集儀可根據(jù)實(shí)際需要，具體確定LED的位數(shù)后，再?zèng)Q定是否選用多片MAX7219進(jìn)行級(jí)聯(lián)。圖中，ADuC824的P3．2、P3．3、P3．4分別作為MAX7219的DIN、CLK、LOAD的信號(hào)輸入端。


　　鍵盤接口電路同樣使用MAX7219芯片，具體電路不再畫出。鍵盤可設(shè)置6個(gè)按鍵，即采樣信號(hào)A、B、C、D鍵及打印、通信鍵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)類型的不同，通過(guò)A、B、C、D鍵分別選擇不同的采樣速率、數(shù)字濾波器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，以提高所得數(shù)據(jù)的精確度和正確度；通過(guò)打印鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接打印輸出；通過(guò)通信鍵完成與上位機(jī)的通信。


　　3　便攜式數(shù)據(jù)采集儀的軟件設(shè)計(jì)


　　采集儀的軟件包括主程序、子程序及各功能程序，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。主要有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：


　　（1）系統(tǒng)初始化模塊：完成ADuC824、DS12C887、K9S2808V0A、MAX7219等可編程芯片的初始化工作；


　�。�2）系統(tǒng)自測(cè)試及出錯(cuò)處理模塊：實(shí)現(xiàn)采集儀自檢功能，提示系統(tǒng)錯(cuò)誤信息；


　�。�3）顯示、鍵測(cè)試模塊：實(shí)現(xiàn)日歷時(shí)鐘和采集數(shù)據(jù)的顯示，判別是否有鍵按下以及何鍵被按下；


　�。�4）日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳送模塊：完成日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)的調(diào)用及存儲(chǔ)；


　�。�5）數(shù)字濾波器模塊：根據(jù)模擬信號(hào)及干擾信號(hào)的不同特征，編制相應(yīng)的數(shù)字濾波程序，實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾；


　�。�6）閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸入、輸出模塊：完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、輸出功能；


　　（7）打印模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接打印輸出；


　　（8）通信模塊：實(shí)現(xiàn)采集儀與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。主程序流程見(jiàn)圖3－1。





　　4　結(jié)束語(yǔ)


　　ADuC824片內(nèi)資源豐富，可廣泛應(yīng)用于智能儀表、智能傳感／變送器、稱重儀器、壓力測(cè)量、便攜式儀器等領(lǐng)域，同時(shí)ADuC824也代表了當(dāng)今微控制器的發(fā)展趨勢(shì)。以ADuC824為核心的便攜式數(shù)據(jù)采集儀不但具有硬件結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、抗干擾性能好、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有很高的穩(wěn)定性、可靠性。


　�。蹍⒖嘉墨I(xiàn)］


　�。�1］　李　剛．ADuC8XX系列單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．


　　［2］　何立民．MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999．


　　
摘自　工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置