双极性信号采集处理系统设计与实现

　　摘 要:提出一种基于51单片机、ADC0809和DAC0832相结合的双极性信号采集处理系统设计方案,采用AT89C51单片机作为CPU,设计了能与多种传感器配合使用的信号调理接口电路,从而完成高速的数据采集和多通道的同步采集。着重讨论了系统的硬件电路和软件设计。系统结构简单、成本低、功耗低,并且根据实际需要,可以配合外围电路进行功能扩展。
　　关键词:LF398;单片机;数据采集;A/D 转换器;D/A转换器
　　中图分类号:TP29 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)03-093-03
　　
　　Design and Realization of Bipolar Signal Acquisition and Processing System
　　LI Changfeng1,WANG Hongjun2,WANG Xiaojie2
　　(1.,Ji′nan Vocational College,Ji′nan,250103,China;2.Shandong University,Ji′nan,250100,China)
　　Abstract:A method of a bipolar signal acquisition and processing system design based on the union of 51 single chip computer,ADC0809 and DAC0832 is proposed.Using AT89C51 single chip computer as CPU,the interface circuit of signal mediation with many sensors are designed,the system can complete high-speed data acquisition and allow multi-channel to be sampled simultaneously.The focus is to discuss the hardware circuit and the software design.With the simple structure,low cost and power dissipation,it can help the outer circuits to expand function parts.
　　Keywords:LF398;single-chip microcomputer;data acquisition;A/D converter;D/A converter
　　
　　数据采集处理系统是通过传感器实时采集温度、压力、流量、转速等连续变化的模拟信号或代表某些状态特性的开关量,通过A/D(模/数)转换器把采集到的模拟信号转换成数字信号后送入单片机,进行数据处理[1],该系统在工业实时控制中使用最为普遍。本次设计的主要目的是实现多路双极性信号数据的采集,通过采样保持器LF398采集目标对象的数据,经A/D转换器转换后送入单片机进行分析、运算和处理,最后经D/A(数/模)转换器输出,也可根据需要辅以外围电路进行其他功能扩展以实现控制目的。
　　
　　1 系统硬件设计
　　
　　信号采集处理系统主要由输入通道、单片机和输出通道等三部分组成[2]。输入通道包括传感器、多路开关、采样保持器、位移电路和A/D转换器等,任务是完成对模拟信号的采集并转换为数字信号;单片机采用AT89C51,是数据采集处理系统的控制核心[3];输出通道包括D/A 转换器、放大和滤波电路等,任务是将数字信号转换为模拟信号输出。系统组成框图如图1所示。
　　图1 系统原理框图
　　1.1 多路开关电路设计
　　多路开关可根据软件设置对通道进行选择,轮流切换各被采集回路,分时享用一个A/D 转换器进行多路模拟信号的转换。这里选用典型的单8通道数字控制模拟开关4051,4051输入的3位地址码由单片机提供地址控制信号来决定通道的选择[4],其真值表如表1所示。
　　表1 4051真值表
　　输入状态
　　INHCBA
　　接通通道
　　00000
　　00011
　　00102
　　00113
　　01004
　　01015
　　01106
　　01117
　　1×××均不接通
　　4051具有低导通阻抗和很低的截止漏电流,用幅度为0～+VCC的数字信号控制幅度为+VCC～-VEE的正负极性的模拟信号。4051的供电电压加至VCC~VEE,VDD~GND之间,可单极性供电,也可双极性供电。这里采用双极性供电,以便传输双极性信号,幅值为4.5～20 V的数字信号可控制峰-峰值至20 V的模拟信号。当模拟开关的供电电源VCC=+5 V,GND=0 V,当VEE=-5 V时,只要对此模拟开关施加0～5 V的数字控制信号,就可控制幅度范围为-5～+5 V的模拟信号。4051接口电路设计如图2所示。
　　图2 4051接口电路
　　1.2 采样保持电路设计
　　采用采样保持器LF398,LF398是一种反馈型采样/保持放大器,由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路组成,能将快速变化的模拟信号进行采样与保持,具有将连续信号离散后以零阶保持器输出信号的功能和采样速率高、保持电压下降慢、精度高等特点。采样周期T等于输入至LF398第8脚的脉冲周期,此脉冲由单片机产生,改变P1口的转换速率,即改变采样周期[5]。采样时,输出跟随输入模拟信号变化;保持时,输出保持前一次采样结束前瞬间的模拟输入。使用采样保持器的目的是使A/D 转换器转换期间输入的模拟信号保持不变,从而提高A/D转换的精度。其接口电路如图3所示。
　　图3 LF398接口电路
　　1.3 信号位移电路设计
　　由于前两级电路均工作在零偏置条件下[6],输出信号为双极性信号,而进入A/D转换器ADC0809之前的信号必须是单极性信号,因此需要将双极性信号位移使之成为单极性信号。信号位移电路如图4所示,采用分压电路,使图4中A点电压稳定在1.25 V。
　　图4 信号位移电路
　　1.4 模/数转换电路设计
　　系统中采用8位A/D转换器ADC0809实现模/数转换[7]。ADC0809有8路模拟开关和联合寻址逻辑,用它可直接输入8路单极性信号,分时进行A/D转换。ADC0809与单片机AT89C51的硬件接口方式有三种:查询方式、中断方式和等待延时方式[8]。本设计采用查询方式,硬件接口电路设计如图5所示。
　　图5 模/数转换接口电路
　　ADC0809的IN0～IN7为8路模拟通道输入端;时钟CLK由AT89C51的地址锁存端ALE信号经四分频后产生;数据端口D0~D7与单片机的数据总线P0口直接相连,实现数据的双向传输;通道地址选通输入端ADDA,ADDB,ADDC经过锁存器74LS373与AT89C51的P0口的低3位数据总线相连,选中ADC0809的IN0通道的地址为7FF8H;转换结束信号EOC接AT89C51的P3.2口;用单片机P2.7口与写信号线P3.6口相或后控制ADC0809的ALE和启动信号转换端START,启动ADC0809按接入的通道地址进行A/D转换;单片机P2.7口与读信号线P3.7口相或后控制ADC0809的允许信号OE,实现数据输出。
　　
　　1.5 数/模转换电路设计
　　系统中采用8位D/A转换器DAC0832实现数/模转换。DAC0832是8位并行接口CMOS集成电路,可与单片机的数据总线直接相连,单电源供电,供电电压范围为+5～+15 V。本设计采用单缓冲工作方式[9],硬件接口电路设计如图6所示。允许端ILE直接接高电平,内部的输入寄存器可以锁存AT89C51的P0口送来的数据;片选信号线CS和数据传送控制信号线XFER与AT89C51的高位地址线P2.6口连接,则DAC0832的口地址为0BFFFH;WR1,WR2短接后与AT89C51的P3.6口相连,当地址线P2.6口选通DAC0832后,只要P3.6口输出信号,DAC0832即可一步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。
　　图6 DAC0832接口电路
　　1.6 放大滤波电路设计
　　由于DAC0832转换电路采用R-2R电阻网络,属电流型输出,使用时应外接运算放大器转换成电压输出,由运算放大器LM324可组成单极性或双极性输出[10],图7所示电路中U10:A的输出即为单极性输出,U10:B的输出为双极性输出,C4,C5和R9组成滤波电路。
　　图7 放大滤波电路
　　
　　2 系统软件的设计
　　
　　整个系统软件总体功能设计主要包括主程序以及多路开关电路程序、A/D转换电路程序和D/A转换电路程序等子程序设计。主要设计思路是:首先进行初始化,设置多路开关通道选择,然后启动ADC0809,接收采样后的模拟信号进行转换,随后启动DAC0832转换输出,系统将在采样周期内完成8通道(可扩展至64通道)的模/数转换及数据采集巡检。整体设计的流程如图8所示。
　　图8 系统软件流程图
　　
　　3 系统调试
　　
　　根据原理组装好数据采集处理系统的硬件后,进行软件设计和系统在线调试。图9所示为示波器测试的输入信号、ADC0809的输入信号和经转换后输出结果的波形图。试验数据表明,数据采集处理系统能够很好地采集转换模拟信号,实时地反映传感器输出信号大小,达到了设计的采样精度要求。
　　图9 调试测试信号
　　
　　4 结 语
　　
　　本文介绍了由采样保持器、位移电路、A/D转换电路、AT89C51单片机、D/A转换电路等部分组成的一种双极性信号数据采集处理系统。通过软硬件结合的方法,给出了具体的电路设计和测试结果,实现了多路数据的采集、处理。在实际应用中,可根据实际情况进行功能扩展,开发出更能满足实际要求的、功能更强的数据采集处理系统。
　　
　　参考文献
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