一種高速單片機數據采集處理系統設計

1 MAX1241介紹

MAX1241是MAXIM公司推出的一種串行A/D轉換器，具有低功耗、高精度、高速度、體積小、接口簡單等優點.MAX1241是一種單通道12位逐次逼近型串行A/D轉換器，功耗低，轉換速度快.
1.1 MAX1241功能特點
（1）2.7～5.25 V單電源供電；
（2）12位分辨率；
（3）8腳DIP/SO封裝；
（4）低功耗：Pmax=3mW（73 KSPS），
（5）內部提供采樣/保持電路；
（6）兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE 串行三線外設接口；
（7）內部提供轉換時鐘.
1.2 芯片介紹及外圍電路

圖 1所示是MAX1241最簡單的外圍配置電路。其中，1腳是電源輸入端，電源電壓范圍為2.7～5.25V。2腳是模擬信號輸入端，輸入電壓范圍是 0V～VREF，1241可以在9μs內實現將輸入信號轉換為數字信號。3腳是關斷控制輸入端，利用其可實現1241兩種工作模式的切換，將3腳外接低電平，1241工作于關斷模式，輸入電流可減少至10μA以下，處于節能狀態；若外接高電平，1241是標準工作模式，可實現模數轉換。管腳4是基準電壓，需外接4.7μF的電容。5腳是接地端。管腳6是數據輸出端，當其由0翻轉為高電平時，表示數據轉換完成，可以讀數據了。7腳是片選端，低電平有效。管腳 8是外部讀數時鐘脈沖輸入端，最高頻率可達2.1MHz，當數據轉換完成，輸入外部讀數時鐘，每個讀數時鐘脈沖的上升沿讀出一位數據，數據讀出的順序是由高位到低位，第一個讀數時鐘脈沖的下降沿表示數據輸出開始，1241是12位模－數轉換器，所以要完整的讀出轉換數據，至少需要外部輸入13個脈沖。
1.3 工作過程
其工作時序如圖2所示，下面我們結合圖2來分析MAX1241的工作過程.

(1)、在 ＝1前提下，使片選信號有效，同時保持時鐘輸入端為低電平；
(2)、大約9μs后，可在SCLK端送入外部時鐘脈沖，讀出數據。從時序圖中可看出，轉換數據是在輸入脈沖由高電平變成低電平后有效，上升沿讀出。當模數轉換完成后，數據輸出端DOUT由低電平翻轉為高電平，所以也可通過查詢DOUT的狀態確定轉換是否完成；
(3)、在外部輸入13個脈沖后，數據讀取完成，將片選信號端置高電平。只要使片選信號再次有效，就可以重新開始一輪新的模數轉換和讀取過程。
(4)、數據讀取完成后，如果仍然保持片選信號有效，則DOUT端始終輸出低電平。

2 數據采集系統設計

MAX1241的典型配置及與89C51單片機的接口電路如圖3所示，采用＋3.6V的標準電池E供電，這樣，89C51和1241可以共用一個直流電源，從而減小系統體積。關斷輸入控制端由P1.0控制，這樣使1241只有在需要采集數據時才處于標準工作模式，否則就處于節能態。1241的三根數據線，時鐘輸入端、片選控制端和數據輸出端分別由89C51的P3.4、P3.3和P3.5控制。設計時應注意以下幾點：
2.1 電源配置　
VDD供電范圍為2.7～5.25V，為減少來自電源的干擾，可在VDD引腳配置4.7μF和0.1μF的濾波電容.
2.2 參考電源的配置　
由于MAX1241內部沒有參考電源提供，需外接參考電壓，只需將Vref接在4.7μF電解電容即可；特殊情況下，可根據前面所述的工作方式控制，讓 懸空，此時，即可在REF引腳輸入參考電壓，其范圍為1.0～VDD.REF引腳外接電解電容不宜選擇過大，電容越大，MAX1241由待機模式到正常工作模式的喚醒時間將越長.
2.3 采樣/保持電路　
MAX1241芯片內部具有采樣/保持電路，無需外部保持電容和采樣/保持電路.
2.4 SPI接口時序的軟件合成　
由于89C51單片機不具有SPI接口，因而采用軟件合成的方式來和MAX1241接口，模擬SPI接口方式.其時序必須嚴格按照圖2所提供的時序圖來進行.應當注意，SCLK的個數應比數據的實際位數多1，因第0個SCLK為A/D轉換期間所必須提供的.
2.5 MAX1241與89C51的硬件接口　
MAX1241的控制線SCLK、、DOUT可與89C51的通用I/O口直接相連，無需任何接口變換，其SPI接口由89C51的程序來合成.

圖3 數據采集電路
2.6 模擬電壓輸入　
模擬電壓經前級放大至0～VREF 范圍后，由AIN引腳輸入.

3 數據處理程序

為保證數據的準確性，可利用程序來進行數字濾波，通常采用一次延遲數字濾波，其算

為了保證準確度，可采用雙字節運算程序來處理數據，并且不考慮符號。這樣可以簡化程序。常數都表示成16位數據，以便進行雙字節運算。在下列數據區中加入本程序所用的常數及運算數據。