基于SPI總線的多路數據采集系統的設計

摘要：文中采用高精度AD芯片AD7891與C8051F040單片機組成高速數據采集系統，通過SPI總線，將AD7891與C8051F040直接連接，方便的實現了8路模擬量的高速采集和傳輸，并給出了SPI總線的接口電路及軟件設計。
關鍵詞：高精度；單片機；SPI；高速采集

隨著微處理器的發展及其在各領域的廣泛應用，人們對電子測量技術和電子儀器系統提出越來越高的要求，對測試速度和精確度的要求也與日俱增。測試系統主要包括對實時數據的高速采集、現場顯示和分析處理3部分，其中最重要的一環就是實時數據高速采集，因為它關系到能否真實反映被測對象的狀態和性能。根據實際項目需要，文中基于80C51F040單片機的SPI總線和AD7891芯片，設計實現了多路數據的高速采集。文中給出了系統的主要硬件電路和對時序控制的軟件編程。

1 系統的硬件實現
本數據采集系統功能是能對多路電壓和電流進行高速采集和分析處理，其要求精度高，線性度好，采集電壓要求以1 mV為單位，模擬信號輸入范圍為-10～+10 V。系統處理芯片采用Silicon Laboratories公司出品的C8051F040單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內核，該系列單片機采用流水線處理(pipeline)技術不再區分時鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高指令執行效率。而且大部分C8051F040單片機具備控制系統所需要的模擬和數字外設，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS(與IC兼容)總線以及CAN總線。 C8051F系類單片機采用Flash ROM技術，集成JTAG，支持在線編程。C8051F系列單片機諸多特點和優越性，使其廣受單片機系統設計工程師青昧，成為很多測控系統設計的首選機型。雖然C8051F040內部提供A／D轉換器，但在實時高速采集中易受干擾，性噪比比較低，A／D轉換速度不能滿足高速數據采集系統的要求，為了滿足系統的指標、提高數據的精確性采樣和系統的抗干擾能力，本數據采集系統根據實際情況采用外擴的A／D轉換芯片。
本數據采集系統采用的A／D芯片是美國ADI公司推出的一種AD7891 12位數據采集系統(DAS)，它具有并行和串行兩種工作模式，適合各種微處理器、控制器以及數字信號處理機接口。AD7891內含有多路轉換器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2．5 V基準電壓源和高速接口電路，并有8個具有過壓保護的模擬信號通道，AD7891-1可承受的過壓為±17 V。AD7891的模數轉換時間是1．6μs，采樣時間為1．4μs。當只對一個通道信號采樣時，采樣率為500 kSPS；當對8個通道信號逐個采樣時，采樣率為62．5 kSPS，AD7891-1使用硬件或軟件方法控制轉換開始得數據采樣時間分別為0．6μs和0．7μs，相應的數據采集率分別為454．5 kSPS和435 kSPS。AD7891采用單電源工作，功耗低，可選擇輸入信號的范圍，也可并行或串行工作，非常適合用于數據采集系統、電機控制、移動通信系統和測試設備等方面的應用。AD7891管腳功能說明如表1所示。