張海蓉　冀慎統(tǒng)　郭紅安

摘 要： 為了提高電路信息實(shí)時(shí)采集的穩(wěn)定性和可靠性，提出基于STC89C52單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。構(gòu)造電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)分為繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。采用UART循環(huán)堆?？刂品椒ㄟM(jìn)行信號(hào)采樣值幅度調(diào)整，對(duì)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)放大濾波器輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，采用單片機(jī)進(jìn)行壓控放大控制，輸出高、低電壓至繼電器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集信號(hào)的存儲(chǔ)和放大輸出。測(cè)試結(jié)果表明，信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)具有較高的信號(hào)輸出放大增益，信號(hào)輸出的收斂性較好。

關(guān)鍵詞： STC89C52； 電路信息采集； 信號(hào)存儲(chǔ)； 信號(hào)輸出； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN431.1?34； TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0085?03

Abstract： In order to improve the stability and reliability of circuit information real?time acquisition， a design method of real?time circuit information acquisition system based on STC89C52 microcontroller is proposed. The overall structure model of real?time acquisition system for circuit information was built. The system is divided into four primary parts： relay module， MCU control module， A/D sampling circuit module and output interface module. UART cycle stack control method is adopted to adjust the signal sampling value， and output the acquired real?time signal to A/D converter through amplifying filter. The single?chip microcomputer is adopted to execute voltage control and amplification control， and output high voltage and low voltage to the relay to realize storage， amplification and output of the real?time acquired signal. The test results show that the real?time information acquisition system has high signal output amplification gain and perfect signal output convergence.

Keywords： STC89C52； circuit information acquisition； signal storage； signal output； system design

0 引 言

信號(hào)廣泛存在于人們的生活中，常見(jiàn)的信號(hào)有振動(dòng)信號(hào)、聲信號(hào)、電信號(hào)、電磁波信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)等，需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和信息處理，結(jié)合信號(hào)放大濾波、信號(hào)調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)，在信號(hào)采集系統(tǒng)中得到有用信息[1]。信號(hào)與信息采集在目標(biāo)識(shí)別、故障診斷、模式識(shí)別和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。為了提高信號(hào)與信息采集的實(shí)時(shí)性，本文利用單片機(jī)的集成控制功能進(jìn)行信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合電路集成設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電路信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)造。在信號(hào)與信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換是基于單片機(jī)的信號(hào)與信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的核心[2]。在主程序中設(shè)計(jì)定時(shí)器T0和T1，采用T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和串口通信設(shè)計(jì)，在LabWindows/CVI環(huán)境下進(jìn)行單片機(jī)的程序編譯和信息加載[3]。系統(tǒng)分為繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。利用5409A集成智能DSP芯片進(jìn)行信號(hào)集成處理，對(duì)PCI總線進(jìn)行電路實(shí)時(shí)信息采樣，在信號(hào)預(yù)處理機(jī)完成信號(hào)的放大、濾波后，在人機(jī)交互模塊接收PCI總線傳遞的用戶信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻譜分析和開(kāi)關(guān)控制；輸出單片機(jī)的控制頻率以及D/A，完成采樣率、采樣通道數(shù)等參數(shù)設(shè)計(jì)；在繼電器模塊中完成電平或輸出動(dòng)態(tài)增益控制。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，得到基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)部分

2.1 電路結(jié)構(gòu)分析

硬件電路設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。采用集成模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；采用STC89C52單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行FIR濾波，對(duì)輸入到通信模塊中的信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。在休眠控制狀態(tài)下，通過(guò)輸出動(dòng)態(tài)增益控制碼到存儲(chǔ)接口，對(duì)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；在信號(hào)采集的存儲(chǔ)模塊中利用壓控放大器進(jìn)行功率放大控制[4]。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)信號(hào)與信息采集系統(tǒng)的電路模塊化分布如圖2所示。

2.2 電路核心器件選擇

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)與信息采集系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，用MUX101程控電路進(jìn)行干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位設(shè)計(jì)[5]。結(jié)合信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，給出設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器截止頻率范圍為10～20 Hz，數(shù)據(jù)采集放大量為40 dB，輸出信號(hào)幅度為12 V；寬帶基陣阻抗匹配動(dòng)態(tài)增益范圍為20～24 dB，信息采集IDE通道為12通道同步、異步輸入；模擬信號(hào)的采樣率[≥]30 kHz；外部存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)容量[≥]200 GB；D/A分辨率為12位（至少）；收發(fā)轉(zhuǎn)換速率[≥100 kHz]；PCI總線輸出有3個(gè)多通道緩沖串口McBSPs。endprint

根據(jù)上述設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)選擇核心器件采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Codec作為串行A/D、D/A 設(shè)備，構(gòu)造三緩存的接收寄存器，通過(guò)（R/X）DATDLY設(shè)置中斷電路和復(fù)位電路，在信息傳輸通道提供全雙工通信機(jī)制[6]。用串口PHASE設(shè)置信息接收單元，在（R/X）PHASE中設(shè)置外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器初始值。用IDT公司IDT70V28作為復(fù)位電路控制芯片，使得電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)支持3.3 V供電電壓，高運(yùn)行速度可以達(dá)15～20 ns。

2.3 電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采用低功耗的STC89C52單片機(jī)進(jìn)行電路的模塊化設(shè)計(jì)，分別對(duì)系統(tǒng)的繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)描述如下：

系統(tǒng)選用了MBM29LV400BC作為繼電器模塊的空間尋址芯片，采用雙端口RAM進(jìn)行采集信號(hào)的放大濾波和調(diào)制設(shè)計(jì)，輸入到FLASH片選芯片中，通過(guò)CPLD完成輸入控制和信號(hào)的讀、寫操作。在信號(hào)采集系統(tǒng)的輸入端，系統(tǒng)的輸入信號(hào)為[U1Ai]，則此時(shí)負(fù)載僅為G，那么工作中心頻率f0處電路輸出電壓和電流幅值關(guān)系為：

本文設(shè)計(jì)[A1=]125，實(shí)測(cè)[A1=]103。根據(jù)上述分析，進(jìn)行電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的繼電器模塊與單片機(jī)控制模塊的接口設(shè)計(jì)。采用Mux101多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓放大[7]，放大分貝數(shù)由它的控制電壓決定為[Vgain=10-2（Vc+1）]。采用晶振頻率放大電路進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為0～[M1]時(shí)，模擬輸入是[±]10 V時(shí)，采樣序列轉(zhuǎn)換的滿幅值為20 V。在單片機(jī)控制模塊中，LSB為[FSR4 096=]4.883 mV，VDD（6腳）為正電源輸入端，模擬輸入AGND+[32]LSB，DSP數(shù)據(jù)線通過(guò)FB（10腳） 輸入到信息采集系統(tǒng)的中央放大器處理單元，輸出范圍0～4.095 V，A4～A0和[IOSTRB]譯碼輸入數(shù)據(jù)[D0～D5]，完成數(shù)據(jù)的寄存和緩存功能。電源芯片采用TPS767D301，在輸出接口單元[D0～D5]（3，2，1，18，17，16）控制低通濾波器截止頻率的碼字，避免外部電源帶來(lái)的電磁干擾。在系統(tǒng)時(shí)鐘 fclk 的控制下，A/D采樣電路模塊采樣頻率[8]設(shè)定為[fcp]= 3.595 kHz時(shí)，通過(guò)內(nèi)建JTAG接口完成采集信號(hào)存儲(chǔ)和放大輸出。

3 電路測(cè)試分析

在完成了信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)放大濾波器輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行采集信號(hào)分析，并在WIN32系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析，用API函數(shù)的CreateFile（ ）單片機(jī)控制函數(shù)打開(kāi)電路信號(hào)寫入功能，在片外I/O外設(shè)選通脈沖，得系統(tǒng)采集輸出信號(hào)波形如圖3所示。

分析圖3得知，本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)采集的信號(hào)具有較高的信號(hào)輸出放大增益，輸出信號(hào)穩(wěn)定性和收斂性較好，信號(hào)采樣的實(shí)時(shí)性較好，抗干擾能力強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出基于STC89C52單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了電路測(cè)試。電路測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，具有較高的信號(hào)輸出放大增益，信號(hào)輸出性能較好。

注：本文通訊作者為冀慎統(tǒng)。

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