智能化多路串行數據采集/傳輸模塊的設計

引言

隨著電子技術的不斷發展，目前對各種物理量的檢測和控制都可得以實現。微機檢測控制系統不僅運用到航天航空、機器人技術、紡織機械、食品加工等工業過程控制，而且已經成為日常各種家用電器當中的主要組成部分。其中，a/d（模擬數字轉換）設備起著十分重要的作用。這樣，一個系統中就會需要更多的a/d設備。一般是用擴展一塊或多塊a/d采集卡的方法去實現。當模擬量較少或是溫度、壓力等緩變信號場合，采用總線型a/d卡并不是最合適、最經濟的方案。這里介紹一種以at89c2051單片機為核心，采用tlc2543l 12位串行a/d轉換器構成的采樣模塊，該模塊的采樣數據由單片機串口經電平轉換后送到上位機（pc機）的串口com1或com2，形成一種串行數據采集串行數據傳輸的方式。

主要元件功能介紹

at89c2051單片機

at89c2051是atmel公司推出的一種性能價格比極高的 8位單片機，其指令系統與mcs-51系列完全兼容。引腳排列如圖1所示。

tlc2543l 采用spi串行接口總線，spi串行接口總線由motorola公司提出，它是一種三線同步接口，分別為同步信號、輸入信號和輸出信號。另外芯片還有一根片選線，單片機通過片選線選通tlc2543l。其中，clk為同步時鐘脈沖，cs為片選線，din為單片機的數據輸出和tlc2543l的數據輸入線，dout為單片機的數據輸入線和tlc2543l的數據輸出線。圖2為tlc2543l時序圖。tlc2543l 是全雙工的，即數據的發送和接收可同時進行。如果只是對tlc2543l寫數據，單片機可以丟棄同時讀入的數據；反之，如果只讀數據，可以在命令字節后，寫入任意數據。數據傳送以字節為單位，并采用高位在前的格式。

(1) 11個模擬輸入通道；

(2) 轉換時間10 s；

(3) 12位分辨率a/d轉換器；

(4) 3路內置自測試方式；

(5) 采樣率為66kbps；

(6) 線性誤差+1lsb（max）

(7) 有轉換結束（eoc）輸出；

(8) 具有單、雙極性輸出；

(9) 可編程的msb或lsb前導；

(10)可編程的輸出數據長度。 tlc2543l的引腳排列如圖3所示。圖3中ain0～ain10為模擬輸入端； 為片選端；din 為串行數據輸入端；dout為a/d轉換結果的三態串行輸出端；eoc為轉換結束端；clk為i/o時鐘；ref+為正基準電壓端；ref-為負基準電壓端；vcc為電源；gnd為地。

max232c為rs-232收發器，簡單易用，單+5v電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從ttl電平到rs-232電平的轉換，引腳排列如圖4所示。

硬件電路如圖5所示。

單片機軟件設計

單片機程序主要包括串行數據采集/傳輸模塊的系統信息、通道數、采集周期和通訊協議定義，以及數據采集和傳輸的標準子程序。

tlc2543l的通道選擇和方式數據為8位，其功能為：d7、d6、d5和d4用來選擇要求轉換的通道，d7d6d5d4=0000時選擇0通道，d7d6d5d4=0001時選擇1通道，依次類推；d3和d2用來選擇輸出數據長度，本程序選擇輸出數據長度為12位，即d3d2=00或d3d2=10；d1，d0選擇輸入數據的導前位，d1d0=00選擇高位導前。

tlc2543l在每次i/o周期讀取的數據都是上次轉換的結果，當前的轉換結果在下一個i/o周期中被串行移出。第一次讀數由于內部調整，讀取的轉換結果可能不準確，應丟棄。

數據采集程序如下：
sbit datain=p1^1;
sbit clock=p1^0;
sbit dataout=p1^2;
sbit cs=p1^3;
bit datain_a_bit0()
{ bit m=0;
dataout=1;
m=dataout;
datain=0;
nop();
clock=1;
nop();
clock=0;
return(m);
}
bit datain_a_bit1()
{ bit m=0;
dataout=1;
m=dataout;
datain=1;
nop();
clock=1;
nop();
clock=0;
return(m);
}

單片機通過編程產生串行時鐘，并按時序發送與接收數據位，完成通道方式/通道數據的寫入和轉換結果的讀出，程序如下：

unsigned int tlc2543l(unsigned char ch)
{unsigned char i,chch=0;
unsigned int xdata xxx=0;
unsigned int xdata y=0;
cs=0;
chch=ch<<4;
y=chch;
y<<=8;
i=0;
while(i<12)
{if((y&0x8000)==0)
{if(datain_a_bit0()==0) xxx&=0xfffe;
else xxx|=0x0001;
if(i!=11) xxx<<=1;
}
else
{if(datain_a_bit1()==0) xxx&=0xfffe;
else xxx|=0x0001;
if(i!=11) xxx<<=1;
}
y<<=1;
i+=1;
}
cs=1;
return(xxx);
}

串行數據傳輸模塊包括串行口初始化子程序和數據傳輸子程序，各子程序分別如下。其中數據傳輸采用查詢方式，也可以方便地改為中斷方式。

void rs232init()
{tmod=0x20;
th1=0xfd;
tr1=1;
scon=0x50;
}
void receandtran()
{unsigned char da;
while(!ri)
ri=0;
da=sbuf;
sbuf==da;
while(!ti);
ti=0;
}
上位機接收數據所用c語言程序包括初始化子程序和接收子程序。各子程序分別如下：
void cominit(void)
{
outportb(0x3fb,0x80);
outportb(0x3f8,0x18); /與單片機波特率一致為9600bps*/
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03); /8位數據位，1位停止位,無奇偶校驗*/
outportb(0x3fc,0x03); /*modem控制寄存器設置,使dtr和rts輸出有效*/
outportb(0x3f9,0x00); /*設置中斷允許寄存器，禁止一切中斷*/
}
void data_rece(void) /*查詢方式接收數據子程序*/
{
while(!kbhit())
{
while(!(inportb(0x3fd)&0x01));/*若接收寄存器為空，則等待*/
printf("%x ",inportb(0x3f8)); /*讀取結果并顯示*/
}
getch();
}

智能化串行采集/傳輸模塊在pcr儀中的應用

在pcr儀的電路設計中，因需要檢測的信號很多，包括熱蓋的溫度檢測，散熱器的溫度檢測，腔體內部的溫度檢測，氣流的溫度檢測，光信號的檢測等等，為了簡化電路，節約成本，減小體積，在選擇a/d轉換電路時選用了spi總線的tlc2543，該芯片有多達11路的模擬信號輸入端，完全滿足pcr儀電路設計的需要，一個芯片既能完成檢測多個信號的功能，又能節約單片機的資源，圖6是其硬件原理圖。

本文所述的智能化串行數據模塊，可直接用于任何微機控制和檢測系統中以取代原來的模數轉換設計。經過實踐檢驗，該模塊功耗低、采樣精度高、可靠性好、接口簡便，有很高的實用價值。該智能模塊的軟件和硬件成功應用于生命科學儀器“熱循環儀”的設計和實踐中，使用方便，簡單可行，節約成本，能夠滿足大多數數據采樣的應用場合。