改基于SPI總線的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

1、 基于SPI總線的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計李寧，黃元峰，雷元林，彭瑾（武漢工程大學電氣信息學院 湖北 武漢 ）摘 要：本文介紹了高精度AD芯片AD7891與C8051F040單片機組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過SPI總線，可將AD7891與C8051F040直接連接，方便的實現(xiàn)了8路模擬量的高速采集和傳輸，并給出了SPI總線的接口電路及軟件設計。關鍵詞：高精度；單片機；SPI；高速采集中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A Design of high speed serial data acquisition system base on SPI busLI Ning, HUANG Yuan-feng

2、, LEI Yuan-lin, PENG Jin(School of Electrical and Information Eng. Wuhan Institute of Technology, Wuhan, )Abstrct: This article introduced the high accuracy AD chip AD7891 and C8051F040 chip microcomputer data acquisition system。Through the SPI bus, AD7891 can be directly connected with C8051F040，an

3、d thus facilitate the realization of the 8 channel analog high speed data acquisition and transmission, and gives the SPI bus interface circuit and software design.Key words:High accuracy; Microcomputer; SPI; High speed data acquisition隨著微處理器的發(fā)展及其在各領域的廣泛應用，人們對電子測量技術和電子儀器系統(tǒng)提出越來越高的要求，對測試速度和精確度的要求也與日俱增

4、。測試系統(tǒng)主要包括對實時數(shù)據(jù)的高速采集、現(xiàn)場顯示和分析處理三部分，其中最重要的一環(huán)就是實時數(shù)據(jù)高速采集，因為它關系到能否真實反映被測對象的狀態(tài)和性能。根據(jù)實際項目需要，本文基于80C51F040單片機的SPI總線和AD7891芯片，設計實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的高速采集。文中給出了系統(tǒng)的主要硬件電路和對時序控制的軟件編程。1系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能是能對多路電壓和電流進行高速采集和分析處理，其要求精度高，線性度好，采集電壓要求以1mV為單位，模擬信號輸入范圍為-10V+10V。系統(tǒng)處理芯片采用Silicon Laboratories公司出品的C8051F040單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片

5、（SOC），具有與MCS-51完全兼容的指令內核，該系列單片機采用流水線處理（pipe line）技術不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令，提高指令執(zhí)行效率。而且大部分C8051F040單片機具備控制系統(tǒng)所需要的模擬和數(shù)字外設，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS（與IC兼容）總線以及CAN總線。C8051F系類單片機采用Flash ROM技術，集成JTAG，支持在線編程。C8051F系列單片機諸多特點和優(yōu)越性，使其廣受單片機系統(tǒng)設計工程師青昧，成為很多測控系統(tǒng)

6、設計的首選機型1。雖然C8051F040內部提供A/D轉換器，但在實時高速采集中易受干擾，性噪比比較低，A/D轉換速度不能滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，為了滿足系統(tǒng)的指標、提高數(shù)據(jù)的精確性采樣和系統(tǒng)的抗干擾能力，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)實際情況采用外擴的A/D轉換芯片2。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的A/D芯片是美國ADI公司推出的一種AD7891 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），它具有并行和串行兩種工作模式，適合各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號處理機接口。AD7891內含有多路轉換器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2.5V基準電壓源和高速接口電路，并有8個具有過壓保護的模擬信號通道，AD7891-1可承受

7、的過壓為17V。AD7891的模數(shù)轉換時間是1.6us，采樣時間為1.4us。當只對一個通道信號采樣時，采樣率為500kSPS;當對8個通道信號逐個采樣時，采樣率為62.5kSPS，AD7891-1使用硬件或軟件方法控制轉換開始得數(shù)據(jù)采樣時間分別為0.6us和0.7us，相應的數(shù)據(jù)采集率分別為454.5kSPS和435kSPS。AD7891采用單電源工作，功耗低，可選擇輸入信號的范圍，也可并行或串行工作，非常適合用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電機控制、移動通信系統(tǒng)和測試設備等方面的應用3。AD7891管腳功能說明見表1表1 AD7891管腳功能說明Tab. 1 the AD7891 pin functio

8、ns description符號功能V V模擬信號輸入。具有8個模擬信號輸入通道V+5V電源，+5V5%AGND模擬地DGND數(shù)字地待機模式輸入。芯片正常工作時，此端輸入為高電平；當輸入為低電平時，芯片處于待機狀態(tài)REF OUT/REF IN基準電壓輸出/輸入端REF GND基準地轉換開始控制端。當輸入為一負脈沖時，在脈沖上升沿時，A/D轉換開始轉換結束。當A/D轉換結束時，此端輸出為一脈寬80ns的負脈沖MODE接口模式控制。當輸入為低電平時，AD7891處于串行工作模式；當輸入為高電平時，AD7891處于并行工作模式。片選信號讀信號寫信號A0、A1、A2地址輸入。控制寄存器中的3位，決定模

9、擬信號通道的選擇SWCON軟件模數(shù)轉換開始控制位SWSTBY軟件待機模式控制FORMAT數(shù)據(jù)格式選擇SCLK串行時鐘輸入發(fā)射框架同步脈沖接收框架同步脈沖DATA OUT串行數(shù)據(jù)輸出DATA IN串行數(shù)據(jù)輸入TEST測試端通常在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，AD7891和單片機之間的接口有串行和并行兩種方式，采用軟件控制數(shù)據(jù)線的方式來滿足系統(tǒng)所要求得采集速度。由于C80C51F040單片機具有SPI總線接口功能，所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用串行工作方式，數(shù)據(jù)的讀取通過單片機的SPI總線來傳輸，不僅能夠滿足采集系統(tǒng)的快速性要求，在硬件上也較易實現(xiàn)4。圖1是AD7891與80C51F040單片機的接口電路。圖1 A

10、D7891與C8051F040單片機接口電路Fig. 1 the AD7891 and C8051F040 MCU interface circuit2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)為了實現(xiàn)對模擬量的高速采樣，首先要對AD7891的時序進行分析，圖2為AD7891的串行讀操作時序圖，圖3為AD7891的串行寫操作時序圖。 圖2 AD7891的串行讀操作時序圖Fig. 2 AD7891 serial read operation sequence diagram圖3 AD7891的串行寫操作時序圖Fig. 3 AD7891 serial write operation sequence diagram 圖2

11、為AD7891的串行讀操作時序圖，從圖2中可以看出，當單片機要從AD7891中讀取數(shù)據(jù)時，必須先將置低，串行數(shù)據(jù)時一位一位的接收的。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，必須一直保持低電平。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是一次傳輸16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸是以FORMAT位開始的，緊接著是3位地址位，接下來是12位數(shù)據(jù)位，存放的是12位AD轉換的值，每一位數(shù)據(jù)都是在時鐘的上升沿開始發(fā)送的，16位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，DATA OUT線一直保持高阻態(tài)直到和SCLK其中任意一個有一個上升沿的脈沖出現(xiàn)5。圖3為AD7891的串行寫操作時序圖，從圖3中可以看出，當單片機向AD7891中寫數(shù)據(jù)時，必須先將置低，AD7891的控制寄存器只接收前6

12、位數(shù)據(jù)，前三位A0、A1、A2用于配置AD采樣通道，在接收完前6位數(shù)據(jù)之后不再接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收都是在時鐘的下降沿進行的6。下面給出通道1采集的主要程序代碼（C語言） TFS_AD7891=0; /AD7891接收數(shù)據(jù)RFS_AD7891=1; SPIF=0; SPI0DAT=0x10; /選擇通道1 while(SPIF=0); /等待數(shù)據(jù)傳輸結束 delay(2); /延時 RFS_AD7891=0; /AD7891發(fā)送數(shù)據(jù)TFS_AD7891=1; SPIF=0; SPI0DAT=0; /將數(shù)據(jù)寄存器置0 while(SPIF=0); /等待AD轉換的結束 ad_result_all0

13、=SPI0DAT; /接收16位數(shù)據(jù)的第一個字節(jié) SPIF=0; SPI0DAT=0; while(SPIF=0); ad_result_all1=SPI0DAT; /接收16位數(shù)據(jù)的第二個字節(jié) 3 小結本文基于串行SPI通信方式，設計了一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用SPI總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，具有硬件結構簡單，軟件編程容易的特點。參考文獻:1童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程M.北京航空航天大學出版社，2005. TONG Chang-fei. C8051F Series MCU development and C language programmingM

14、. Beihang University press,20052潘琢金，C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信號ISP FLASH處理器數(shù)據(jù)手冊Z.新華龍電子有限公司. PAN Zhuo-jing. C8051F040/1/2/3/4/5/6/7 mixed signal ISP FLASH processorZ.Xinhua dragon electron Limited company.3徐愛均 ，彭秀華.單片機高級語言C51 Windows環(huán)境編程與應用M.北京電子工業(yè)出版社，2003. XU Ai-jun, PENG Xiu-hua. Single chip C51 la

15、nguage programming and its application in Windows environmentM. Beijing Publishing House of electronics industry,2003.4陳勁超，利用增強型并口設計12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.電子工程師，2001. CHENG Jing-chao, Use of enhanced parallel port design of 12 bit data acquisition systemJ. Electronic Engineer,20015劉春生 ，游志剛，李曉波.AD7891高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應用.J電子工程師，2001. LIU Chun-sheng, YOU Zhi-Gang, LI Xiao-bo. AD7891 high speed data acquisition system principle and ApplicationJ. Electronic Enginee