高精度ADVF32與51系列單片機(jī)接口介紹

　　由于當(dāng)前12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，人們正在尋找新的途徑來(lái)取代它，而V／F變換器便是一種較好的選擇。由于V／F變換器具有高精度、高線(xiàn)性度的特點(diǎn)，如美國(guó)模擬器件公司的ADVFC32（國(guó)產(chǎn)型號(hào)為5GVFC32），在滿(mǎn)度頻率為10 kHz時(shí)的非線(xiàn)性誤差僅為0.005 %FSR，而AD650可達(dá)0.002%FSR，而且外電路簡(jiǎn)單。因此用V/F變換器可以制成精度高，價(jià)格低廉的高性能A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率可達(dá)16位以上。在速度要求不太高的場(chǎng)合是很適用的，如用于稱(chēng)重、壓力等各種傳感器信號(hào)的高精度數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中?？梢灶A(yù)見(jiàn)，以V／F變換器制成的高精度A/D轉(zhuǎn)換電路在不久的將來(lái)將成為微計(jì)算機(jī)的一種具有競(jìng)爭(zhēng)性的接口電路。
　　
　　用V／F變換器作A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，通常由一些硬件電路如振蕩器、二分頻器、計(jì)數(shù)器和門(mén)電路等組成，而由計(jì)數(shù)器計(jì)得的計(jì)數(shù)值，即A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，再通過(guò)接口電路送入微計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，較為復(fù)雜和不便；或者采用F/BCD變換電路，將V／F變換器輸出的頻率信號(hào)變?yōu)锽CD碼，再通過(guò)接口電路送入微計(jì)算機(jī)，也較為復(fù)雜，而且還要對(duì)BCD碼進(jìn)行變換。這些方法成本都較高。
　　
　　現(xiàn)介紹一種以單片機(jī)直接與V／F變換器接口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的方法，無(wú)需額外的硬件電路，完全利用單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源，簡(jiǎn)單方便，成本最低，大大地提高了V／F變換器作為A／D轉(zhuǎn)換電路的可行性。
　　
　　當(dāng)前，單片機(jī)特別是INTEL公司的51系列單片機(jī)已在智能儀器儀表和過(guò)程控制等方面得到廣泛應(yīng)用，已取代280，因此A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)的接口方法也是人們所關(guān)注的。本文主要介紹V／F變換器ADVFC32作高分辨率A/D轉(zhuǎn)換時(shí)與51系列單片機(jī)（如8031等）接口的硬件和軟件。

　　一、硬件接口電路
　　
　　ADVFC32與51系列單片機(jī)的硬件接口電路如圖1所示。圖中是輸入電壓信號(hào)為正時(shí)的情況。在輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，只要把電阻R1、R3接地，從第14腳直接輸入即可。AD650的電路與ADVFC32的外電路相似。關(guān)于這兩種芯片的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等請(qǐng)參考有關(guān)手冊(cè)。

　　
　　由圖1可見(jiàn)，接口電路非常簡(jiǎn)單，只要把V/F變換器輸出的頻率信號(hào)直接送到單片機(jī)8031的定時(shí)器1的計(jì)數(shù)輸入端T即可。其設(shè)計(jì)思想為：從傳感器來(lái)的mV級(jí)電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大到0～10 V的電壓后，加到ADVFC32的輸入端，從頻率輸出端，OUT輸出的頻率信號(hào)加到單片機(jī)8031定時(shí)器1的計(jì)數(shù)輸入端Tl上。在單片機(jī)內(nèi)部由定時(shí)器作計(jì)數(shù)器時(shí)，由定時(shí)器1對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器O的定時(shí)時(shí)間由要求的A/D轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)定。因?yàn)槎〞r(shí)器O在工作方式1時(shí)為16位定時(shí)器，所以最長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間為：

　　
　　式中：foc為單片機(jī)晶體振蕩器的振蕩頻率，如foc=12 MHz，則

　　
　　如要求的定時(shí)時(shí)間超過(guò)這一數(shù)值，定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷，可用單片機(jī)內(nèi)部RAM的存儲(chǔ)單元作軟件計(jì)數(shù)，則可延長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間。
　　
　　8031的定時(shí)器1作計(jì)數(shù)器使用時(shí)，可計(jì)數(shù)的外部脈沖最高頻率為單片機(jī)晶體振蕩器振蕩頻率的1／24，即

　　等于A(yíng)DVFC32的最高允許工作頻率，故單片機(jī)8031的內(nèi)部定時(shí)器TO和Tl滿(mǎn)足對(duì)定時(shí)和計(jì)數(shù)的要求。
　　
　　另外，單片機(jī)的定時(shí)器在作計(jì)數(shù)器使用時(shí)，要求外部輸入脈沖的寬度至少為一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。8031的一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，即V／F變換器輸出信號(hào)的脈沖寬度應(yīng)

　　
　　而ADVFC32的輸出脈沖寬度為(0. 1～0. 15/FMax)μs，其中fmax為滿(mǎn)度時(shí)輸出頻率。如fmax=100 kHz，則輸出脈沖寬度為：

　　
　　滿(mǎn)足對(duì)脈沖寬度的要求。如fmax再提高，則脈沖寬度變小，需將脈沖展寬，如接一個(gè)555定時(shí)器等，然后再接到單片機(jī)上。
　　
　　一次A/D轉(zhuǎn)換所須計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)和定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間是由所要求的分辨率決定的。
　　
　　設(shè)分辨率為12位，則脈沖數(shù)=212 =4 096個(gè)。ADVFC32的最高工作頻率fmax有三種：
　　
　　10 kHz、100 kHz和500 kHz?，F(xiàn)取fmax=100 kHz，則其脈沖周期

　　
　　類(lèi)似地，對(duì)于其他分辨率，由計(jì)算得出：
　　
　　●分辨率為13位，脈沖數(shù)=8 192，定時(shí)時(shí)間=81. 92 ms；
　　
　　●分辨率為14位，脈沖數(shù)=16 384，定時(shí)時(shí)間=163. 84 ms;
　　
　　●分辨率為15位，脈沖數(shù)=32 768，定時(shí)時(shí)間=327. 68 ms；
　　
　　●分辨率為16位，脈沖數(shù)=65 536，定時(shí)時(shí)間=655. 36 ms；
　　
　　●分辨率為16.6位，脈沖數(shù)=100 000，定時(shí)時(shí)間=1s。
　　
　　所以在fmax=100 kHz時(shí)，如定時(shí)時(shí)間為1s，則其A/D轉(zhuǎn)換的分辨率超過(guò)16位。但實(shí)際上對(duì)分辨率的選取應(yīng)按實(shí)際的需要而定，過(guò)高的分辨率將使A/D轉(zhuǎn)換的速度下降。
　　
　　為便于計(jì)算，現(xiàn)以最大脈沖數(shù)=20 000為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，則定時(shí)時(shí)間=200 ms，根據(jù)式2X-20 000，可求出分辨率為

　　
　　即分辨率大于14位，滿(mǎn)足一般對(duì)高分辨率的要求。定時(shí)時(shí)間為200 ms，可轉(zhuǎn)換4～5次每秒，相當(dāng)于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間，亦不算太長(zhǎng)。
　　
　　定時(shí)器O的初值計(jì)算如下：
　　
　　設(shè)定時(shí)器0工作在方式1，為16位定時(shí)器。
　　
　?、贆C(jī)器周期=12Toc=12×l／fc=12×1/(12×106)=1 μs
　　
　?、?6位定時(shí)器的最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間為216×機(jī)器周期-65 536×1μS= 65. 536 ms
　　
　　現(xiàn)取整數(shù)值，設(shè)定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間=50 ms，則定時(shí)器O溢出4次即為200 ms，在定時(shí)器0溢出中斷程序中，由軟件計(jì)數(shù)4次即可。
　　
　?、鄱〞r(shí)器O在定時(shí)時(shí)是對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)50 ms的機(jī)器周期數(shù)=50 ms／1μs=5 000。
　　
　?、芏〞r(shí)器0可計(jì)的最大機(jī)器周期數(shù)= 216=65 536，故定時(shí)器O的初值=65 536 - 50 000=15 536-3CBOH
　　
　　設(shè)定時(shí)器1也工作在方式1，為計(jì)數(shù)器狀態(tài)，是16位計(jì)數(shù)器，最多可計(jì)216= 65 536個(gè)脈沖，而外部輸入的最大脈沖數(shù)=20 000<65 536，無(wú)溢出，故定時(shí)器1不必開(kāi)中斷。

二、A/D轉(zhuǎn)換軟件
　　
　　根據(jù)上述分析，得出A/D轉(zhuǎn)換的流程圖如下圖所示。在程序中，定時(shí)器1的低8位TL1和高8位TH1的值即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，為二進(jìn)制數(shù)，分別進(jìn)入單片機(jī)8031的內(nèi)部RAM單元31H和32H中暫存；然后即可對(duì)此結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如標(biāo)度變換等；或輸出顯示。本程序?yàn)橐淮蜛/D轉(zhuǎn)換的程序，如需多次A/D轉(zhuǎn)換，只須稍加修改，使其重復(fù)運(yùn)行，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入不同的RAM單元，然后再加以處理即可。在程序中以?xún)?nèi)部RAM的30H單元作為定時(shí)器0溢出次數(shù)的計(jì)數(shù)緩沖器，定時(shí)器O每溢出一次，30H的內(nèi)容溢出中斷服務(wù)程序便加1．當(dāng)30H的內(nèi)容為4時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

　　
　　此外，在中斷服務(wù)程序中要給定時(shí)器O重置初值，并且修正在重置初值前定時(shí)器已運(yùn)行的．7個(gè)機(jī)器周期。因?yàn)樵谥袛喾?wù)程序中沒(méi)用到累加器及其他寄存器，所以不必進(jìn)行保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等操作。
　　
　　A/D轉(zhuǎn)換的程序如下：
　　
　　A/D轉(zhuǎn)換主程序

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)編碼器VD5026的工作時(shí)序