董亞男

（吉林動(dòng)畫學(xué)院，吉林長春130011）

基于AT89S52的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董亞男

（吉林動(dòng)畫學(xué)院，吉林長春130011）

設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該系統(tǒng)由兩路串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832、單片機(jī)AT89S52、外擴(kuò)62256 RAM和LED數(shù)碼顯示等組成，其中給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖、硬件接口電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖.通過對兩路波形信號進(jìn)行采集、處理和顯示，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出等功能，具有較好的通用性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域.

單片機(jī)；串行A/D；數(shù)據(jù)采集；存儲(chǔ)器

單片機(jī)以控制功能強(qiáng)、可靠性高、速度快、功耗低等特點(diǎn)被廣大電子設(shè)計(jì)愛好者所青睞.數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)智能控制重要環(huán)節(jié)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、測量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域.近年來，隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更快、數(shù)據(jù)量更大、通道更多的發(fā)展趨勢.實(shí)際中對現(xiàn)場信號所采集的大量數(shù)據(jù)需要保存和處理，在此情況下對系統(tǒng)存儲(chǔ)空間大小和處理能力要求很高，由于普通單片機(jī)存儲(chǔ)空間的限制，其自身的內(nèi)部空間難以滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求.為了實(shí)現(xiàn)既能有效完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理功能，本文設(shè)計(jì)看了一種基于AT89S52的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該系統(tǒng)由兩路串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832、AT89S52單片機(jī)、外擴(kuò)62256RAM和LED數(shù)碼顯示等組成，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖、硬件接口電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖.通過對兩路波形信號進(jìn)行采集、處理和顯示，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出等功能，具有較好的通用性和兼容性，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域.

1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832、單片機(jī)AT89S52、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256和LED數(shù)碼顯示等組成.圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖.系統(tǒng)主控芯片AT89S52有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系框圖

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，采集系統(tǒng)通過單片機(jī)P3.5、P3.4和P3.3三個(gè)引腳來分別控制ADC0832的CS片選使能端、CLK時(shí)鐘脈沖端和DI、DO端達(dá)到對ADC0832的A/D轉(zhuǎn)換控制，隨后數(shù)據(jù)傳入，單片機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，存入擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256中，系統(tǒng)使用單片機(jī)通用的外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器方法，然后通過P1.6與P1.7兩個(gè)引腳來控制74HC164芯片，用于通過LED顯示采集數(shù)據(jù).采集系統(tǒng)也可以通過芯片MAX232與PC機(jī)進(jìn)行串行通信.采集系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.系統(tǒng)工作時(shí)通過前端AD對模擬信號進(jìn)行采集，然后經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)而將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到擴(kuò)展存儲(chǔ)器，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和再利用，然后LED數(shù)碼管顯示采集結(jié)果.同時(shí)，可根據(jù)串行口通信方式發(fā)送給PC機(jī)，使用PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)的結(jié)果處理.

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

2 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832

ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司（NationalSemicon-ductor）生產(chǎn)的8位的雙通道串行A/D芯片.它的體積小，兼容性強(qiáng)，功耗低，性價(jià)比高.它的輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32us.芯片工作溫度最大可達(dá)-40℃～+85℃.

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器接口

轉(zhuǎn)換器接口如圖3所示,串行A/D轉(zhuǎn)換器所用引腳少，線間干擾小.1腳CS為片選使能端，當(dāng)CS為低電平有效.2腳和3腳分別為CH0,CH1是兩路模擬信號輸入端，用于接受要將要輸入轉(zhuǎn)換的電壓信號.4腳為GND是芯片工作的參考0電位和電源地.5腳6腳分別為DI和DO端，DI為信號輸入，兩路模擬通道選擇輸入端.當(dāng)工作時(shí)，首先由DI端輸入信號選擇轉(zhuǎn)換器工作方式.DO為信號輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端.當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，DO端依次輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果.因?yàn)镈I端與DO端并未同時(shí)使用所以可以復(fù)用一根數(shù)據(jù)線，如圖3連接所示.7腳為CLK是串行時(shí)鐘輸入端，用于提供轉(zhuǎn)換器工作時(shí)許脈沖.8腳為VCC是正電源端和工作時(shí)的參考電壓輸入端.

圖3 ADC0832引腳結(jié)構(gòu)圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序

當(dāng)CS為低電平選通時(shí)，選擇轉(zhuǎn)換器，DI作為通道工作方式選擇的輸入端，首先輸入高電平開始位，然后輸入兩位工作方式選擇地址，隨后變成高阻態(tài).因此DO和DI端在工作時(shí)并未同時(shí)有效，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可將DO與DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用，如圖3所示.當(dāng)不需要ADC0832工作時(shí)，CS片選使能端為高電平，芯片禁用，其它引腳電平任意.當(dāng)ADC0832工作時(shí)，CS片選使能端必須為低電平，并且保持到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束.芯片開始工作，由CLK為芯片提供時(shí)鐘脈沖，轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖4所示.

圖4 ADC0832時(shí)序圖

在第1個(gè)時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)，DI作為通道工作方式選擇端，首先必須置位為高電平表示開始位，之后兩個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)輸入兩位工作方式選擇位，其工作方式選擇如圖5所示.此2位配置位數(shù)據(jù)為“0”“0”時(shí)，進(jìn)行差分輸入，CH0為正輸入端，CH1為負(fù)輸入端.當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”“1”時(shí)，進(jìn)行差分輸入，CH0為負(fù)輸入端，CH1為正輸入端.當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”“0”時(shí)，只對CH0進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”“1”時(shí)，只對CH1進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖下降之后DI端輸入就不再工作直至下一次選中芯片.轉(zhuǎn)換開始后，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，隨后輸出數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)輸出先從高位到地位依次輸出，然后再從地位到高位依次輸出，數(shù)據(jù)輸出兩次可用作數(shù)據(jù)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)輸出完成后CS片選使能端置為高電平，一次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束.

圖5 ADC0832工作方式選擇

3 外部并行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256

單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由隨機(jī)存儲(chǔ)器組成，最大可擴(kuò)展64K.靜態(tài)RAM62256為32KBX8靜態(tài)RAM.由于面向控制，實(shí)際需要擴(kuò)展容量并不大，所以一般采用靜態(tài)RAM較方便.

3.162256 接口

選用靜態(tài)RAM62256擴(kuò)展32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.引腳為28腳，連接外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器如圖2所示，用P0口和P2口連接15位A0-A14地址引腳，其中P0口接373地址鎖存器和8位數(shù)據(jù)端，用于地址和數(shù)據(jù)發(fā)送復(fù)用.RD和WR分別連接62256的22腳OE和27腳WE，訪問外部RAM時(shí)采用MOVX@DPTR指令，同時(shí)P0和P2傳送15位地址.

3.2 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作時(shí)序

訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫操作時(shí)序如圖6所示.圖6（a）所示為外部RAM的讀時(shí)序，第一個(gè)機(jī)器周期的S1狀態(tài)若地址允許信號ALE由低電平變高電平(1)，開始了讀周期.在S2狀態(tài)CPU由P0口送出低8位地址，P2口送出高8位地址，在ALE的下降沿(2)把低8位地址存入外部鎖存器，而P2口的高8位地址保持不變（3）.在S3狀態(tài)，P0口總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻狀態(tài)（4）.在S4狀態(tài)，讀控制信號RD變?yōu)橛行В?），被尋址的RAM存儲(chǔ)器62256略過片刻后把有效數(shù)據(jù)送總線上（6），當(dāng)RD由低電平變高電平后（7），被尋址的存儲(chǔ)器62256其本身的總線驅(qū)動(dòng)器懸空（8），使P0總線又進(jìn)入高阻態(tài).

圖6 外部存儲(chǔ)器讀/寫時(shí)序

如圖6（b）所示為外部RAM的寫時(shí)序，與上類同.但寫的過程是CPU主動(dòng)把數(shù)據(jù)送到總線上，因此在S3狀態(tài)總線不會(huì)出現(xiàn)高阻態(tài)，而是送出數(shù)據(jù).在S4狀態(tài)，寫控制信號WR有效，選通被尋址的存儲(chǔ)器單元，P0口上的數(shù)據(jù)就寫入到該單元中.

4 系統(tǒng)工作原理及軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想為軟件部分由4大模塊組成，主要包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分、LED顯示部分和串行口通信部分.主程序邏輯流程圖如圖7所示.

系統(tǒng)工作開始時(shí)，首先拉低ADC0832的CS片選使能端，選中芯片開始工作，然后設(shè)置開始位為高電平，工作開始.對DI輸入2位數(shù)據(jù)設(shè)置工作方式，之后經(jīng)過一個(gè)CLK脈沖準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù).DO端首先從高位到低位發(fā)送8位數(shù)據(jù)，然后再次從低位到高位發(fā)送8位數(shù)據(jù)（如圖4所示），單片機(jī)接收兩次發(fā)送數(shù)據(jù)用于校驗(yàn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，當(dāng)確認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確無誤后存儲(chǔ)數(shù)據(jù).AD采集過程程序流程圖如圖8所示.當(dāng)確定接受數(shù)據(jù)無誤后，采集得到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入外部存儲(chǔ)器，通過置地址指針DPTR來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).之后可調(diào)用LED顯示程序?qū)D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示.數(shù)碼管顯示程序流程圖如圖9所示.后續(xù)處理也可調(diào)用串行口通信程序數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機(jī)進(jìn)行處理.

圖7 主程序邏輯流程圖

圖8 AD采集邏輯流程圖

圖9 LED顯示邏輯流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

表1 測試數(shù)據(jù)

表1為數(shù)據(jù)采集器輸入信號、實(shí)際信號與結(jié)果顯示數(shù)據(jù)，如表中結(jié)果顯示該數(shù)據(jù)采集器在誤差允許范圍內(nèi)工作良好，存儲(chǔ)器讀寫順利，實(shí)物圖如圖10所示.

此多路采集系統(tǒng)由兩路串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832、單片機(jī)AT89S52、外擴(kuò)62256RAM和LED數(shù)碼顯示等組成，其中給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖、硬件接口電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖.通過對兩路波形信號進(jìn)行采集、處理和顯示，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出等功能.在應(yīng)用中可以對電壓信號進(jìn)行直接采集，也可對傳感器信號進(jìn)行采集.在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上還可以將雙路采集系統(tǒng)擴(kuò)展成為差分采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)更多路的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)可以選擇更大的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器來進(jìn)行更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ).這種可擴(kuò)展電路具有高性價(jià)比，無需選擇更昂貴的大容量控制芯片，有較好的通用性和兼容性，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域.

圖10 多路數(shù)據(jù)采集器實(shí)物圖

〔1〕National Semiconductor Corporation.DS005583 DATASHEET[R].2002,7.

〔2〕馬俊.一種基于DSP和MCU的雙CPU數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)與儀器儀表,2008（3）：79-82.

〔3〕陳學(xué)煌.一種新型非接觸式速度測量裝置.傳感器技術(shù)[J]. 2004,23(1).

〔4〕馬俊.基于DSP的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].測控技術(shù)與儀器儀表，2007（12）：79-85.

〔5〕ATMEL Corporation.AT89S52 DATASHEET[EB/ OL].http://www.alldatasheetcn.com.

〔6〕胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)(第3版)[M].清華大學(xué)出版社,2010.

〔7〕馬忠梅.單片的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

〔8〕李剛民.單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)[M].高等教育出版社，2005.

〔9〕谷樹忠.Altium Designer教程:原理圖、PCB設(shè)計(jì)與仿真[M].電子工業(yè)出版社,2010.

TN707

：A

：1673-260X（2017）03-0048-03

2016-11-08

教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金和青海省135高層次人才工程項(xiàng)目資助的課題；教育部春暉計(jì)劃Z2011019