基于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

摘要：闡述了一種以C8051F020芯片為核心的數(shù)據(jù)采集電路，該電路通過電壓轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了對操縱桿模擬信號的高速、高精度的采集，并通過RS-422串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與光電穩(wěn)定平臺的通信控制。該電路具有響應(yīng)速度快，精度高，設(shè)計(jì)簡單，應(yīng)用靈活，易擴(kuò)展等特點(diǎn)，在很大程度上提高了模擬信號采集的效率，完全可以滿足信號采集處理對高精度和實(shí)時(shí)性的要求。
關(guān)鍵詞：C8051F020；A／D轉(zhuǎn)換；RS-422串口通信；信號采集

    數(shù)據(jù)采集是為了對溫度、壓力、流量、速度、位移、光強(qiáng)度、聲音等物理量進(jìn)行在線測量和控制，通過傳感器把上述物理量轉(zhuǎn)換成模擬物理量的電信號。然后將模擬電信號經(jīng)過處理并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)處理、存儲、傳輸和顯示。
    在操縱桿控制器的工作過程中，需要對操縱桿X軸和Y軸輸出的2路電壓信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)范圍要求在-1 500～1 500，采樣精度為12位。另外還需要對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過串口與兩自由度光電穩(wěn)定平臺進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)定平臺的功能控制，通信周期為80 ms。出于成本的考慮，沒有采用傳統(tǒng)專用A／D芯片+單片機(jī)的設(shè)計(jì)模式，只用了一片C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上述功能。

1 芯片簡介
    Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)是一款高性能的數(shù)字／模擬混合微處理器，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。具有豐富的片內(nèi)資源和外圍接口，-40～+85℃的工作環(huán)境，內(nèi)置有12位精度的A／D采集接口，在工業(yè)甚至軍用領(lǐng)域中自動控制和智能監(jiān)控等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號處理電路復(fù)雜龐大，且采集速率慢，溫漂大，抗干擾性差。所以本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，電路簡單實(shí)用，采集速率快，精度高并且通過RS 422通信模塊與穩(wěn)定平臺通信，抗干擾性強(qiáng)。
    該系統(tǒng)由C8051F020單片機(jī)、晶體、電源模塊及RS 422通信模塊等部分組成。外部電源為+28 V，經(jīng)DC28S5電源模塊變換后輸出+5 V，給操縱桿和MAX490芯片供電。由于單片機(jī)需要3．3 V的電源才能工作，因此需要將+5 V電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器LT1117-3．3 V變換后供給單片機(jī)使用。然后把經(jīng)過電壓調(diào)制的操縱桿模擬信號連接到單片機(jī)的ADC輸入端口上，啟動單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲到內(nèi)存。最后，按照規(guī)定的通信格式，通過單片機(jī)的串口和MAx490芯片將信號發(fā)送給穩(wěn)定平臺，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定平臺的操縱控制過程。
    系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2．1 基準(zhǔn)電壓的配置
    單片機(jī)ADC0模塊所使用的電壓基準(zhǔn)采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1．2 V，其內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路由一個(gè)1．2 V1 5 ppm／典型值的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)兩倍增益的輸出緩沖放大器組成內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(2．4 V)。通過VREF引腳連到芯片的VREF0引腳，并在VREF引腳與AGND之間接入0．1 μF和4．7μF的旁路電容，用來將VREF的開啟時(shí)間控制在2 ms。
2．2 信號處理電路
    一般操縱桿包括操縱和控制兩部分。根據(jù)一般目標(biāo)運(yùn)動特性，該操縱桿采用X，Y兩個(gè)方向運(yùn)動控制。
    而本文選用的操縱桿X軸和Y軸采用霍爾元件感應(yīng)其位移，輸出電壓范圍為0～5 V。而單片機(jī)C8051F020的A／D基準(zhǔn)參考電壓為2．4 V，因此需要做一個(gè)電壓變換電路，將0～5 V的電壓變換到0～2．4 V，才能被單片機(jī)的A／D模塊使用。電壓變換電路如圖2所示。

    采用公式out=in×R2／(R1+R2)來計(jì)算電阻R1和R2的阻值，令out=2．4，in=5，可以得到R2／R1=48／52?？紤]到功耗因素，R1采用5．2 kΩ的電阻，R2采用4．8 kΩ的電阻，電阻采用0．5％的高精度軍品電阻，可以滿足系統(tǒng)高溫和低溫工作要求。
2．3 A／D采集模塊的配置
    C8051F020的ADCO模塊包括一個(gè)9通道的可編程模擬多路選擇器AMUX0，一個(gè)可編程增益放大器PGA0和一個(gè)100 KSPS 12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器，原理框圖如圖3所示。

    AMUX0，PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖3所示的特殊功能寄存器來控制。只有當(dāng)ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置1時(shí)，ADC0子系統(tǒng)，ADC0跟蹤保持器和PGA0才被允許工作；當(dāng)ADOEN位為0時(shí)，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。

3 軟件編程
    軟件主要包括主程序、A／D采集子程序和串口通信子程序。
    為了提高采集精度，采用了過采樣技術(shù)，即多次采集累加后求平均值的辦法。但考慮到采集速度的要求，也不能無限制地增加采樣次數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)測試，采用8次采樣即可同時(shí)滿足采樣精度和采樣速度的雙重要求。
    此外，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境條件，選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌诤蛥f(xié)議，合理設(shè)計(jì)通信硬件和軟件，獲得高可靠性、強(qiáng)抗干擾和容錯(cuò)能力，成為衡量此類系統(tǒng)好壞的最重要因素。
    為了提高通信傳輸?shù)目煽啃?，通信協(xié)議采用了“消息頭+消息體+校驗(yàn)和”的防錯(cuò)設(shè)計(jì)。具體表述如下：消息結(jié)構(gòu)總共10個(gè)字節(jié)，消息頭占2個(gè)字節(jié)，一般采用固定值，比如EB，90(16進(jìn)制)。消息體內(nèi)是有用的數(shù)據(jù)信息，占7個(gè)字節(jié)。最后是檢驗(yàn)和，一般采用數(shù)學(xué)和，即消息頭和消息體9個(gè)字節(jié)累加后，整除256的余數(shù)。采用這種方式進(jìn)行通信傳送，接收機(jī)必須在正確判讀了消息頭和校驗(yàn)和后才認(rèn)為命令是有效的，否則該命令消息就被忽略。

    軟件流程如圖4～圖6所示。

4 結(jié)語
    本文基于工程實(shí)際對A／D轉(zhuǎn)換速度和精度的要求，采用了過采樣原理以提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度。利用C8051F020單片機(jī)自身的片上資源，給出了一種簡便有效的過采樣原理的工程實(shí)現(xiàn)方法。自2007年投入工程應(yīng)用后實(shí)驗(yàn)證明：用這種方法可以提高測量分辨率，并且可以簡化外部電路、降低硬件成本。因此，這種方法對硬件成本和采樣精度都有較高要求的控制、采集、測量系統(tǒng)來說具有較高的參考價(jià)值，可同時(shí)滿足軍事和商業(yè)領(lǐng)域。