AD574一个单片机串行数据采集及传输模块的设计.pdf

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1、单片机 开发与应用 文章编号：1 0 0 8 0 5 7 0(2 0 0 6)1 0 2-0 2 2 9-0 3 一个单片机串行数据采集及传输模块的设计 A DESl GN F OR SAM PL|NG AND TRANsMl Tl NG SERt AL DATA OF St NGL EcHt P (华 南 理 T 大 学)林 焯华蒋梁 中姚 锡凡王 春宝 L i n，Z h u oh u a J ian g，L ia n g z h o n g Ya o，Xi f a n W a n g，Ch u n b a o 摘要：以 A T 8 9 C 5 1单 片机为核 心，使 用 1 2位 并行

2、A D转 换 器 A D 5 7 4 A、多路 开 关 C D 4 0 5 1及 多组 R S 一 2 3 2驱动 接 收 器 M A X 2 3 2，设计 了一 个 串行 数据 采集 传 输模 块。模 块 中主要 分为 两部分，第一部 分 由 A D 5 7 4 A芯 片和 两个 多路 开关 C D 4 05 1实现 1 6路 1 2位 A D转 换 完成 串行 数据 的采 集：第二部 分 由 A T 8 9 C 5 1单 片机 和 MA X 2 3 2芯片 实现与 计算机 间 的 串行 数据传 输。文 中给 出 了 硬 件 原 理 图 和 主 要 源 程 序 关键词：A T 8 9 C 5

3、 1单片机；A D转换器：多路开关；串行数据传输；A D 5 7 4 A 中图 分 类号：T N4 3 1 文 献 标识 码：B Ab s t r a c t：A mo d u l e u s e d t o c o l l e c t a n d t r a n s f e r s e r i al d a t a i s d e s i g n e d，wh i c h t a k e t h e A T8 9 C 5 1 s i n g l e c h i p a s t h e c o r e，a n d u s e s t h e 1 2 一B i t A D Co n v e r

4、t e r AD 5 7 4、mu l t i p l e x e r CD 4 0 5 1 a n d t h e Mu h i c h a n n e l RS 一2 3 2 Dr i v e r s R e c e i v e r s MAX2 3 2 T h e mo d u l e i s ma i n l y d i v i d e d i n t o t w o p a rts T h e fi r s t p a rt r e ali z e s t h e c o l l e c t i o n o f t h e s e ri a l d a t a b y t h e A

5、D5 7 4 A a n d t w o C D4 0 5 1 c a r r y i n g o u t t h e 1 6 一 C h a n n al 1 2一B i t A D t r a n s i t i o n T h e s e c o n d p a rt r e ali z e s t h e t r a n s i t i o n of t h e s e r i a l d a t a w i t h t h e AT 8 9 C 5 1 a n d t h e MAX 2 3 2 T h e h a r d w a r e d i a g r a m a n d t

6、h e ma i n p r o g r a m a r e s h o wn i n t h e p a p e r Ke y wo r d s：AT8 9 C5 1 s l n g l e c h i p A D Co n v e r t e r。mu l t i p l e x e r,s e r i a l d a t a t r a n s i t i o n,AD5 7 4 A 前 言 在微机测控 系统 中。经常要用到 A D转 换，把现 场的模拟量转换 为数 据量传输给微机，以便控制使 用。常用的方法是在微机上扩展一块或多块 A D采集 卡。但在模拟量较少、成本要求低、或是温度、

7、压力等 缓变信号场合。采用总线型 A D卡不是最合适、最经 济的方案。本文介绍一种 以 A T 8 9 C 5 1 单片机为核心，采 用 A D 5 7 4 A 1 2位 并 行 A D转 换 器 和 多路 开 关 C D 4 0 5 1构成的多路模拟量采样模块。并结合单 片机 串 口经 电平转 换 后 把 采样 数据 送 到 P C机 的 串 口 C O M1 或 C O M 2 形成一种串行数据采集和 串行数据 传输的方式，能够适合对数据采样频率要求不是特别 高的应用场合。1 主 要器件 介绍 1 1 A D 5 7 4 A并行 A D转换器 A D 5 7 4 A是美国模拟数字公 司(A

8、 n a l o g)推 出的单 片高速 1 2位逐次 比较型 A D转换器。内置双极性 电 路构成的混合集成转换芯片。具有外接元件少。功耗 低。精度高等特点。并且具有 自动校零 和 自动极性转 换功能。只需外接少量 的阻容件即可构成一个完整的 A D转换器，其主要功能特性如下：林焯 华：硕 士研 究生 基金项 目 2 0 0 5年华 南 理 工大 学 百 步梯 攀 登 计 划研 究 项 目；广东省科技计划项 目资助项 目(2 0 0 4 A1 0 4 0 3 0 0 6)分辨率：1 2位：l：非线性误差：小于_+I 2 L B S或_+I L B S ：l：转换速率：2 5 u s ：l：模

9、拟电压输入范围：0 一 I O V和 0 2 0 V。0 一-+5 V和 0 一+_ I O V两 档 四种 电源电压：1 5 V和+5 V 数据输出格式：1 2位 8位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 1 AD 5 7 4 A芯 片 主要引脚功能说明：1 模拟量输入线 3条：1 0 V I N为 I O V量程的模拟 电压输入线，单极性时为 0 +1 0 V。双极性时为 5 V：2 0 V I N为 2 0 V量程模拟电压输入线。单极性 时为 0 +2 0 V，双极性时为 I O V。A G N D为模拟电压公共地线。2 数字量输出线 1 3条：D B1 1 D B 0为数字量输

10、出 线，D B 1 1为最高位；D G N D为数字量公共接地线，常和 AG N D相连后接地。冒自 控罔邮局订 阅号：8 2 3 6 0 _ 2 2 9一 M 川 0 肥 眦聃 骼盯 盼 趴 勰 加 2 3 4 5 6 7 8 9 m w 们 l三；一 一 一 一 一 一 t I 维普资讯 http:/ 单片机开发 与应用 中文核心期刊 微计算机信息(嵌入式与S O C)2 0 0 6 年第2 2 卷第 1 0 2 期 3 控制线 6条：C S为片选线，低 电平 有效：C E为 片选使能线，高 电平有效。c s和 C E共同用于片选控 制；当 C S为 0和 C E为 1时，选 中本片工作：

11、否则本片 处于禁止状态。R C为读出，转换控制输入线。若使 R C为 0，则本片启动工作；若使 R C为 1，则本片处于允 许读 出数字量状态。A0和 1 2 8这两条控制线能决定 进行 1 2位还是 8位 A D转换，其控 制功能如表 1 所 示。S T S为转 换状态输 出线。S T S为高 电平，表示 A S 5 7 4 A正处于 A D转换状态；若 S T S为低 电平，则它 已 A D转换完成。因此，在实用 中 S T S线可供 C P U查 询，也可以作为外 中断请求输入线。4 测试 调零线 3条：R E F I N为内部解码网络所需 参考电压输入线；R E F O U T为内部参

12、考电压输出线 通 常，R E F I N和 R E F O U T之间可以跨接一个 1 0 0 1 的电 位计，用来调整各量程增益。B I P O F F为补偿调整线 用 于在模拟输入为零时把 A D C输出数字量调整为零。5 电源线 3 条：+v为+5 V电源线：v+为+1 2 +1 5 V 电源线；V 一 为 1 2 1 5 V电源。表 1控制线的逻辑表 C E C S R C 1 2 8 A 0 完成的操作 l 0 0 0 启动 1 2位 A D 转 换 l 0 0 1 启动 8位 A D转换 1 0 1 1 1 2位数字量输出 1 0 1 0 0 高 8位数字量输出 1 0 1 0 l

13、 低 4位数字量输出 0 x x x 无操作 1 x x 无操作 AD 5 7 4 A工作控制过程：在 C E=I、C S=0同时满足时 A D 5 7 4 A才会正常工 作，在 A D 5 7 4处于工作状态时，当 R C=0时 A D转换，当 R C=I 是进行数据读出。1 2 8和 A 0端用来控制启动 转换的方式和数据输出格式。A 0=0时，启动的是按完 整 1 2 位数据方式进行的。当A 0=I 时，按 8位 A D转换 方式进行。当 R C=1，也 即当 A D 5 7 4 A处于数据状态时 A 0和 1 2 8 控制数据输出状态的格式。当 1 2 8=1 时，数 据 以 1 2位

14、并行输 出，当 1 2 8=0时，数据 以 8位分两次 输出。而当 A 0=0时，输 出转换数据的高 8位，A 0=I 时 输出 A D转换数据的低 4位，这 四位 占一个字节的高 半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表 1。A D转 换器 的数 据 输 出通 过 P 0数据 总线 连 至 A T 8 9 C 5 1，由于只使用 了 8位数据 口，1 2位数据分两 次读进 A T 8 9 C 5 1，所以 1 2 8接地。当 A T 8 9 C 5 1的 p 3 0 查询到 S T S端转换结束信号后，先将转换后 的 1 2位 A D数据的高 8位读进 A T 8 9 C 5 1，然后再将

15、低 4位读 进 A T 8 9 C 5 1。这里值得注意的是，如果分两次读进 1 2位数据，A D5 7 4 A在接线 时 D B 0 D B 3必须与 D B 8 D B 1 1分别 对应相连，这样才能保证正确的读进低 4位数据。具 体接线如图 5。1 2 A T 8 9 C 5 1 单 片机 A T 8 9 C 5 1 是美 国 A T ME L公 司生 产 的 低 电压，高性能 C MO S 8位单 片机，片 内含 4 K b y t e s 的可反 复擦写的只读程序存储器和 1 2 8 b y t e s的 随机存取数据存储器，器件采用 A T ME L公 司的高密 度、非易失性存储技

16、术生产，兼容标准 MC S 一 5 1 指令系 统，片内置通用 8位中央处理器和 F l a s h存储单元，功 能强大的 A T 8 9 C 5 1 单片机具有高的性价 比，可灵活用 于各种控制领域。引脚排列如图 2所示。VCC P O 0(A D 0)P O 1(A D1)P O 2(A D 2)P O 3(A D 3)P O 4(A D 4)P O 5(A D 5)P O 6(A D 6)P 0 7(A D 7)EA，VP P AI 正 P R0G PS EN P 2 7(A1 5)P 2 6(A 1 4)P 2 5(A1 3)P 2 4(A1 2)P 2 3(A1 1)P 2 2(A

17、1 0)P 2 1(A 9)P 2 0(A 8)图 2 A T 8 9 C 5 1单片机 一 1 1 6 2 1 5 3 1 4 4 1 3 5 l 2 6 l l 7 l O 8 9 图 3 MA X 2 3 2芯片 4 L l l 6 圉 COM OUT I N 3 5 4 l 1 7 I NH V 7 Vs s 8 i 1 sH A NN ELS N，。u T 图 4 C D 4 0 5 1 芯片 1 _ 3电平转换器 MA X 2 3 2 MAX 2 3 2为 R S 一 2 3 2收发器，简单易用，单+5 V电源 供 电，仅需外接几个电容即可完成把从 A T 8 9 C 5 1 出来

18、 的 1 T r L电平转换成 RS-2 3 2电平，然后就可接到微机的 串行口与微机问实现数据传输。引脚排列如图 3 所示。1 4多 路开关 C D 4 0 5 1 C D 4 0 5 1 是单 8通道数字控制模拟开关，有三个 二进制控制输入端 A、B、C和 I N H输入，具有低导通 阻抗和很低 的截止漏电流。幅值为 4 5 2 0 V的数字信 号可控制峰一 峰值至 2 0 V的模拟信号。例如，若 一2 3 03 6 0元，年 邮局 订 阅号：8 2 9 4 6 勰卯 如 勰 拍 2 4 6 7 8 9 m u 培 加 D D 1 1 R D 咖 m m 兰，帆、期期 囡 囱 回 囱 囵

19、回 圃 团 U 维普资讯 http:/ 单片机开发 与应用 V D D=+4 5 V V S S=O V E E=一 1 3 5 V。则 0 5 V的数字信 号可控制一 1 3 5 +4 5 V的模拟信号。这些开关电路在 整个 V D D V S S和 V D D V E E电源范围内具有极低 的 静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 I N H输入 端=“1”时 所有 的通道截止。三位二进制信号选通 8 通道 中的一通道，即可连接该输入端至输出，其控制 逻辑表如表 2所示。C D 4 0 5 1 引脚排列如图 4所示。表 2 C D 4 0 5 1 输入控制逻辑表 输入状态 r NI C

20、B f A 0 0 0 0 l l 3 0 l 0 0 4 0 l 0 l 5 0 l l 0 6 O l l 1 7 l 尤 2 硬 件设计 硬件电路如图 5所示。单片机 A T 8 9 C 5 1 是整个系统的核心，A D 5 7 4 A对 输入的模拟信号进行采集 采用一 5 +5 V双极性模拟 量输入 输入的模拟信号由 C D 4 0 5 1 控制接通，可实现 1 6路模拟信号的轮流采集，转换 结果 由单片机通过 P o口接收，单片机采集的数据通过串 口(1 0、1 1 脚)经 MA X 2 3 2转换成 R S 2 3 2电平与上位机间实现传输。3 单 片机软 件设 计 单片机程序主要

21、包括模拟信号通道切换部分、串 行数据采集部分和串行数据传输部分。首先，C D 4 0 5 1 接通第一路通道，AD 5 7 4 A立刻采 集该 通 道 的模 拟 信 号，采 集 完 后 就 把 数 据 传 到 A T 8 9 C 5 1 单片机，单片机也随即把接收到的数据通过 串行 口传输到上位机；接着，C D 4 0 5 1 就会切换 到下一 路通道，进行下一通道 的数据采集，如此轮流 的完成 1 6 路通道模拟信号的采集及传输。程序使用 C 5 1 语言 编写，具体代码如下：#i n c l u d e#i n c l u d e#d e f i n e u i n t u n s i g

22、 n e d i n t#d e f i n e u c h a r u n s i g n e d c h a r v o i d i n i t s(v o i d)；电路初始化函数 v o i d t x d a t a(v o i d)；A T 8 9 C 5 1 发送数据函数 v o i d C D4 0 5 l_P i c k C h a n n e l 0；J l 道选择函数 u c h a r C D4 0 5I_N U M =0 x l 0，0 x 1 2，0 x 1 4，0 x 1 6，O x 1 8，O x l A，O x l C，0 x l e。0 x 2 0，0 x

23、2 2，0 x 2 4，0 x 2 6，0 x 2 8，0 x 2 A，0 x 2 C，0 x 2 e ；0 q 5 通道编码 s b i t C D4 0 5 1 A=P 1 1：s b i t C D4 0 5 1 B=P1 2：s b i t C D4 0 5 1 C=P1 3：s b i t C D4 0 5 1 I NH I=P 1 4：s b i t C D4 0 5 1 I NH 2=P 1 5：s b i t C E=P 2 6；s b i t RC=P 2 5：s bi t A0=P 2 4：s b i t C S=P 2 3：s b i t S r S=P1 0：u c h

24、 a r d a t a CD 4 0 5 1 C h a n n e l=0；u c h a r d a t a a d h i；存放转换结果的高 8 位数据 u c h a r d a t a a d l 0；存 放转换结果的低 4位数据 u i nt i=0：v o i d m a i n(v o i d 1 i n i t s 0；，初始化系统 w h i l e(1)f CD 4 0 5 l_P i e k C h a n n e l 0；接通通道 S T S=1：A0=0；R C=0；C E=I；开始 a d转换 w h i l e(S T S=1)；等待 a d转换完成 R C=

25、I；A0=0；P O=(P O l(O x f O)；写 1 到 P 0口，准备从 P 0 H读取数据 a d h i=P 0；读高 8 位数据 A0=I；P O=(P O l(O x f O)；a d l o=P 0；a d l o=a d l o&0 x 0 f；读低 4位数据 t x d a t a 0；通过串口发送数据 f o r(i=0；i=相位缓 冲段 2 相位缓冲段 2同步跳转宽度 通常，位的采样应当发生在位时间的 6 0 7 0 左 右，取决于系统参数。5 结语 本文的创新观点在于：详细介绍了 d s P I C 3 0 F 6 0 1 4 数字信号控制器 C A N节点实现方

26、案。研究和试验结 果表 明利用 d s P I C 3 0 F 6 0 1 4数 字信 号控 制器 构成 的 C A N节点具有许多优 良的性能，并能充分发挥节点的 功能，为嵌入式系统 C A N节点设计提供 了一种新型 实用方 案 参考文献：【l】朱飞 基于 C A N总线的分布式控制网络 智能节 点设计I J 1 微计 算机信息 2 0 0 3，1：9 1 0 【2】邬宽明 C A N总线原理和应用系统设计 北京：北京航空航天大 学出版社，2 0 0 3 3 Mi c r o e h i p T e c h n o l o g y I n c d s P I C 3 0 F F a mi

27、l y O v e r v i e w d s P I C(Hi g h P e rf o r ma n c e 1 6-b i t Di g i t a l S i g n a l Co n t r o l l e r 2 0 0 4 4 M i c r o e h i p T e c h n o l o g y I n e C o m p l e t e C A N S o l u t i o n s f o r D i v e r s e E mb e d d e d Ap p l i c a t i o n s 2 0 0 5 作者简介：杨旭东，男，工程师，河北工业大学 电工厂 从 事

28、发电机励磁控制研究；韩雪晶，男，河北工业大学电工 厂，从事发 电机励磁控制研究；张超，男，硕士研究生，河 北工业 大学，电机电器专业；商建锋，男，河北工业大学 电工厂，从事发电机励磁控制研究。(3 0 0 1 3 0河北工业大学 电工厂)杨旭 东韩 雪晶商建锋(3 0 0 1 3 0河北工业大学)张超 通讯 地 址：(3 0 0 1 3 0天 津市 红 桥 区 丁 字 沽 光 荣 道 8号 河北工 业大 学电工 厂)杨旭 东(收稿 日期：2 0 0 6 2 1 7)(修稿 日期：2 0 0 6 3 1 4)(上接第 2 3 1 页)v o i d i n i t s(v o i d)f C S

29、=0；a d初始化 T M OD=0 x 2 0；串 口初始化，数据位 8位，停止位 1位，校 验位无 T L l=0 x f d；t#输速度为 9 6 0 O b i t s T H1=0 x f d；P C ON=0 x O 0；S CON=0 x 4 0；EA=0；TRI=1：l v o i d C D 4 0 5 lP i c k C h a n n e l 0 PI=CD 4 0 5 1N U M C D 4 0 5 1 C h a n n e 1 ；l 4 结论及 创新 点 本文给出的硬件和软件均经过实践检验，可实现一 -+5 V的模拟信号的采集及传输，同时，只要适 当的改 变电路

30、 中A D 5 7 4 A和 C D 4 0 5 1 的有关 的控制电压，就可 实现多种范围的模拟信号采集。电路简单，没有使用到 地址锁存器和与非 门等器件，进一步减少电路的成本。本 文创 新点 是：模 拟 信 号 的通 道数 可 以随 着 C D 4 0 5 1 的数 目来 随意的改变，可同时满足少路或多 路转换的要求。电路使用极为方便，能够满足对数据 采样频率要求不是特别高的应用场合。参考文献：1 1 胡汉才编著 单片机原理及系统设计 清华大学出版社，2 0 0 4 2 1 马忠梅，籍顺心，张凯编著 单片机的C语言应用程序设计 北 京：北京航空航天大学出版社 2 0 0 1 年【3】许智榜

31、，石晓瑛 基于 A T 9 0 S 8 5 1 5和 U S B接口数据采集系统 I J 1 微计算机信息，2 0 0 5，1 0 1 作者简介：林焯华，男，汉族，广东广州市人，1 9 8 2年出生，硕士研究生，主要研究方向为数字制造及计算机控制 E ma i l：z h u o h u a l i n s o h u c o m；蒋梁 中，男，汉族，重庆人，1 9 4 3年 4月生，教授，博士生导 师，长期从事信息与控 制方面的教学与科研工作，如 自动控制元件及线路、机 器人控制系统中的电子学方法、机器人运动控制系统 及设计等；姚锡凡，男，汉族，广东廉江市人，1 9 6 4年生，教 授、博

32、士生导师，多年来从事制造过程的计算机控制，加工过程的智能控制、智能制造和不确定性信息等科 研和教学工作；王春宝，男，汉族，山东人，1 9 7 9年 出生，硕 士研究生，主要研究方向为数字制造及计算机控制(5 1 0 6 4 0广 州 华 南 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院)林 焯 华 蒋梁 中姚锡凡王春 宝(C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0)L i n，Z h u o h u a J i a n g，Li a n g z h o n g Ya o,Xi f a n W a n g，Ch u n b a o 通讯 地址：(5 1 0 6 4 0广 州 华南 理 工大 学 机 械 工 程学 院 2 0 0 5级硕 士班)林焯 华(收稿 日期：2 0 0 6 2 1 3)(修稿 日期：2 0 0 6 3 1 4)国自 控 局 订 阅号：8 2-9 4 6 3 6 0 _l 3 5 维普资讯 http:/