摘要：介紹了一種基于串行接口方式的單片機(jī)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以at89c52單片機(jī)為核心，從數(shù)據(jù)的采集、存儲與上位機(jī)的通信到數(shù)據(jù)的顯示、打印輸出全部采用串行接口器件，從而降低了布線密度，提高了系統(tǒng)可靠性。文中對系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)予以詳細(xì)介紹，并給出了軟件流程。

    關(guān)鍵詞：串行接口方式 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 硬件電路

     1 引言

    在傳統(tǒng)微機(jī)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，均是以總線方式來擴(kuò)展各功能部件，如a/d轉(zhuǎn)換器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、日歷/時鐘器件、顯示器件及微型打印機(jī)等，由三總線方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，突出的問題是由于總線引出，易受干擾，造成系統(tǒng)的可靠性降低，同時也帶來了布線密度高，占用電路板空間大，外圍元件較多，時序復(fù)雜等問題。近年來隨著片內(nèi)具有flash存儲器的非總線型單片機(jī)及具有串行接口的外圍器件的推出，使得設(shè)計出基于串行接口方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為可能。

    2 硬件結(jié)構(gòu)

    基于串行接口方式的單片機(jī)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖1 串行接口方式單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

    本系統(tǒng)根據(jù)實際采集數(shù)據(jù)的需要，分別設(shè)計了模擬量采集接口電路、開關(guān)量采集接口電路、數(shù)字量采集接口電路及頻率量采集接口電路，基本涵蓋了各種數(shù)據(jù)信息的采集。為了將采集的信息保存下來，擴(kuò)展了一片容量為64k字節(jié)的e2prom at24c512，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集和按時間日期保存數(shù)據(jù)而擴(kuò)展了一片實時時鐘日歷芯片sd2001e，為便于輸入各種數(shù)據(jù)而擴(kuò)展了鍵盤接口管理器件 sk5278，為便于實時顯示采集的數(shù)據(jù)及人機(jī)交互而擴(kuò)展了中文液晶圖文顯示器ocmj4x8c，為便于將采集的數(shù)據(jù)打印輸出而擴(kuò)展了mp-a16-8型漢字微型打印機(jī)，為便于將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析而使用max232擴(kuò)展了rs-232接口，下面對上述各串行接口器件予以介紹。

    2.1 模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc2543

    tlc2543是具有11個模擬量輸入通道，12位分辨率的a/d轉(zhuǎn)換器，因而本系統(tǒng)最多可實現(xiàn)11路模擬量的采集任務(wù)，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，該器件具有3路內(nèi)置自測試方式，可分別測試ref+高基準(zhǔn)電壓值，ref-低基準(zhǔn)電壓值和ref+/2值，該器件的模擬量輸入范圍為ref+－ref-，一般模擬量的變化范圍為0-5v，但為了能滿足一些傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電壓值的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這里利用了tlc2543的基準(zhǔn)電壓設(shè)定功能，設(shè)計了模擬量輸入范圍設(shè)定調(diào)整電路，采用電阻分壓的方式設(shè)定采集基準(zhǔn)電壓值。其中r1和rp1用于設(shè)定滿度電壓值，調(diào)整rp1可使?jié)M度電壓值在1/2vdd－vdd之間變化，r2和rp2用于設(shè)定零值電壓，調(diào)整rp2可使零基準(zhǔn)電壓在0－1/2 vdd之間變化，rp1和rp2應(yīng)采用多圈精密電位器。tlc2543的基準(zhǔn)電壓設(shè)定功能，使得本系統(tǒng)可滿足各種非0－5v標(biāo)準(zhǔn)輸出的傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)，tlc2543與單片機(jī)的接口采用4線spi串行接口，三個控制輸入端分別為“cs”（片選）輸入/輸出時鐘（clk）及地址輸入端“di”，片內(nèi)的 14通道多路器可以選擇11個輸入端的任何一個或3個內(nèi)部自測電壓中的一個且采樣保持是自動完成的，轉(zhuǎn)換結(jié)束后“eoc”輸出變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果由三態(tài)輸出端 “do”輸出，at89c52單片機(jī)與tlc2543的硬件接口電路如圖2所示。

    2.2 i/o擴(kuò)展器gm8164

    為了實現(xiàn)開關(guān)量采集及開關(guān)量輸出控制的功能，這里使用了一片具有大量i/o擴(kuò)展功能的串行芯片gm8164，該器件的主要特點如下：

    圖2 單片機(jī)與tlc2543的硬件接口電路

    ⑴擴(kuò)展i/o口數(shù)量眾多，可提供32位數(shù)據(jù)輸入口和40位數(shù)據(jù)輸出口；

    ⑵同時提供8個開漏輸出口，方便電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動；

    ⑶可達(dá)1mhz的全速率同步串行接口，非常方便與通用mcu接口；

    ⑷可多個芯片級聯(lián)，擴(kuò)展i/o口的數(shù)量；

    使用gm8164可使本系統(tǒng)實現(xiàn)最多32個開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，同時可提供40個開關(guān)量控制輸出功能。

    2.3 高精度實時時鐘/日歷sd2001e

    實時時鐘器件使用了具有i2c總線接口