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SigmaDSP |
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| 基于ADuC824的数据采集仪的设计 |
| [ 作者：admin ] [ 来源：ADSP开源社区 ] [ 发布时间：2011-4-13 ] |
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1 前 言
数据采集仪可广泛应用于工业、农业、军事及日常生活等各个领域。通常对数据采集仪的要求是采集速度快、精度高、存储容量大、抗干扰能力强，能实时记录数据采集的时间，仪器操作简单，携带方便，并能灵活选择数据输出的方式，而采用普通微控制器组成的数据采集系统很难满足上述要求。该文介绍一种以数据采集系统芯片ADuC824为核心，配合大容量快闪存储器K9S2808V0A芯片构成的数据采集仪的软、硬件设计方法。该采集仪特别适用于野外及环境恶劣的工作场所。
2 便携式数据采集仪的硬件系统组成
便携式数据采集仪的硬件系统组成如图2－1所示。
采集仪采用美国AD公司推出的高性能数据采集系统芯片ADuC824，它可以同时接收多路模拟信号，并能选择模拟信号的输入方式（直接输入或差分输入），利用分时进行采集，可实时记录数据采集的时间。外部模拟信号在A－DuC824内部完成多路选择、缓冲、程控增益放大、低通滤波及模／数转换。根据模拟信号的特征，采集人员可以通过键盘选择不同的采样速率、数字滤波器进行数据采样、抗干扰处理，处理后的数据与时间信息一起直接存入外部大容量快闪存储器K9S2808V0A中，同时通过LED显示器显示。用户如需进一步分析处理数据，可通过打印机接口外接微型打印机直接打印输出，也可通过通信接口传送至上位机，再采用专用软件对数据进行分类或综合处理。
2．1 ADuC824芯片简介［1］
ADuC824是美国AD公司出品的高性能微转换器，是一种具有真正意义的完整的数据采集系统芯片。它在单个芯片内集成了双路高精度∑-△ADC、温度传感器、程控增益放大器PGA、8位MCU、FlashMemory、RAM以及定时器／计数器等功能部件，具有52引脚，采用PQFP（即塑料四方形扁平）封装，图2－2是ADuC824的内部功能框图。它的组成及特点如下：
（1）基于8051的内核，指令集与8051兼容；可采用32kHz的晶振工作，利用片内PLL（锁相环）产生内部所需的工作频率，MCU内核工作频率和数据输出率可编程，输出精度随程控增益和输出数据速率的变化而改变；3个16位的定时器/计数器；26根可编程I/O线；12个中断源，两个优先级。
（2）8KB片内闪速／电擦除程序存储器；640B片内闪速／电擦除数据存储器；片内电荷泵（不需要外部VPP）；256B片内数据RAM；可扩展64KB程序存储器空间和16MB数据存储器空间。
（3）两个独立的∑-△ADC通道，主、辅助通道的分辨率分别为24和16位，具有可编程自校正功能；12位电压输出型的数模转换器（DAC）；片内温度传感器；两个激励电流源；基准检测电路；定时间隔计数器（TIC）。
（4）采用3V、5V电压工作；具有正常、空闲和掉电3种工作模式。
（5）一个通用UART串行I／O；一个与I2C兼容的二线串口和SPI串口；一个看门狗定时器（WDT）；一个电源监视器（PSM）。
2．2 数据采集仪的接口电路［2］
数据采集仪的接口电路包括数据存储器扩展电路、日历时钟电路、键盘／显示电路及打印、通信电路等几个部分。
（1）日历时钟接口电路
为了实时记录数据采集的时间，采集仪设计了一个日历时钟接口电路。日历时钟芯片选用Dallas公司的DS12C887，该芯片采用CMOS工艺，内部集成了芯片工作所需的晶振和锂电池等相关电路，能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，具有功耗低、精度高、工作稳定可靠、外围接口简单等优点。DS12C887与ADuC824的接口电路见图2－3。其中，MOT：模式选择，此处接地，选择Intel模式；AD0～AD7：分时复用地址／数据总线；AS：地址选通；／DS：数据读允许；R／W：数据写允许；／CS：片选；／RESET：复位。它们分别与ADuC824的P0口、ALE、／RD、／WR、P3．5及＋5V相连。
（2）通信、打印接口电路
为了实现与上位机（PC机）的通信，选用MAX232芯片组成通信接口电路，MAX232是一种双路RS－232数据收发器，只需＋5V电源供电，图2－3是它与ADuC824的接口电路，其中ADuC824的TxD、RxD分别与MAX232的T21N、R20UT相连，而MAX232的T20UT、R2IN接至PC机。
打印接口电路可通过ADuC824扩展一片可编程并行I／O接口芯片（如8255）来实现，用以完成采集仪数据的直接打印输出。
（3）数据存储器扩展电路
ADuC824片内虽然包含了640B闪速／电擦除数据存储器和256B的RAM，但相对说来其容量毕竟有限，不能满足数据采集仪的要求，因此，系统扩展了16MB的外部数据存储器。存储芯片选用三星公司新品大容量闪速存储器K9S2808V0A。
K9S2808V0A为22引脚表面封装器件，单片容量16MB（16M×8），其突出优点是：命令、地址和数据信息均通过8条I／O线传输，寻址内存单元的地址线不作为芯片的引脚，24位地址分3次写入地址寄存器，译码后找到相应的单元，电路连线简单，可靠性高，图2－4是它与ADuC824的接口电路。其中，CLE：命令锁存使能，ALE：地址锁存使能，CE：片选，RE、WE：读、写使能，R／B：操作状态指示，I／O口：三态，输入命令、地址和数据以及读操作时输出数据，它们分别与ADuC824的P1．1、ALE、P1．0、／RD、／WR、P1．2、P0口相连。K9S2808V0A的各种操作具有共同的特点，即在I／O口上首先发送操作命令到命令寄存器，其后的连续3个周期发送要操作单元的地址。
（4）显示、键盘接口电路
为了提高数据采集仪的抗干扰性能，节省A－DuC824的资源，接口电路采用键盘、显示专用接口芯片MAX7219构成。MAX7219是美国MAXIM公司推出的多功能串行LED显示驱动器，采用3线串行接口传送数据，可直接与ADuC824接口。它内含硬件动态扫描显示控制，每片可驱动8个LED数码管，当多片MAX7219级联时，可控制更多的LED。 MAX7219是共阴极显示驱动器，其SEGA－G和SEGH为LED七段显示器段和小数点驱动端，输出段控信号，DIG0～7为8位数字驱动线，输出位选信号，DIN为串行数据输入端，CLK为串行时钟输入端，DOUT为串行数据输出端，在级联时传到下一片MAX7219的DIN端，LOAD为装入数据控制端，ISET端通过一个电阻与电源相连，以提供给LED段的峰值电流。图2－4是它与ADuC824的接口电路，采集仪可根据实际需要，具体确定LED的位数后，再决定是否选用多片MAX7219进行级联。图中，ADuC824的P3．2、P3．3、P3．4分别作为MAX7219的DIN、CLK、LOAD的信号输入端。
键盘接口电路同样使用MAX7219芯片，具体电路不再画出。键盘可设置6个按键，即采样信号A、B、C、D键及打印、通信键。根据现场采集信号类型的不同，通过A、B、C、D键分别选择不同的采样速率、数字滤波器来进行数据采集、处理，以提高所得数据的精确度和正确度；通过打印键实现数据的直接打印输出；通过通信键完成与上位机的通信。
3 便携式数据采集仪的软件设计
采集仪的软件包括主程序、子程序及各功能程序，采用模块化的程序设计方法。主要有以下几个部分构成：
（1）系统初始化模块：完成ADuC824、DS12C887、K9S2808V0A、MAX7219等可编程芯片的初始化工作；
（2）系统自测试及出错处理模块：实现采集仪自检功能，提示系统错误信息；
（3）显示、键测试模块：实现日历时钟和采集数据的显示，判别是否有键按下以及何键被按下；
（4）日历时钟数据传送模块：完成日历时钟数据的调用及存储；
（5）数字滤波器模块：根据模拟信号及干扰信号的不同特征，编制相应的数字滤波程序，实现软件抗干扰；
（6）闪速／电擦除数据存储器数据输入、输出模块：完成数据的存储、输出功能；
（7）打印模块：实现数据的直接打印输出；
（8）通信模块：实现采集仪与上位机的数据传送。主程序流程见图3－1。
4 结束语
ADuC824片内资源丰富，可广泛应用于智能仪表、智能传感／变送器、称重仪器、压力测量、便携式仪器等领域，同时ADuC824也代表了当今微控制器的发展趋势。以ADuC824为核心的便携式数据采集仪不但具有硬件结构紧凑、功耗低、抗干扰性能好、携带方便等优点，而且还具有很高的稳定性、可靠性。 |
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