基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海蓉　冀慎統(tǒng)　郭紅安

摘 要： 為了提高電路信息實(shí)時(shí)采集的穩(wěn)定性和可靠性，提出基于STC89C52單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。構(gòu)造電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)分為繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。采用UART循環(huán)堆?？刂品椒ㄟM(jìn)行信號采樣值幅度調(diào)整，對采集的實(shí)時(shí)信號通過放大濾波器輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，采用單片機(jī)進(jìn)行壓控放大控制，輸出高、低電壓至繼電器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集信號的存儲和放大輸出。測試結(jié)果表明，信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)具有較高的信號輸出放大增益，信號輸出的收斂性較好。

關(guān)鍵詞： STC89C52； 電路信息采集； 信號存儲； 信號輸出； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN431.1?34； TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0085?03

Abstract： In order to improve the stability and reliability of circuit information real?time acquisition， a design method of real?time circuit information acquisition system based on STC89C52 microcontroller is proposed. The overall structure model of real?time acquisition system for circuit information was built. The system is divided into four primary parts： relay module， MCU control module， A/D sampling circuit module and output interface module. UART cycle stack control method is adopted to adjust the signal sampling value， and output the acquired real?time signal to A/D converter through amplifying filter. The single?chip microcomputer is adopted to execute voltage control and amplification control， and output high voltage and low voltage to the relay to realize storage， amplification and output of the real?time acquired signal. The test results show that the real?time information acquisition system has high signal output amplification gain and perfect signal output convergence.

Keywords： STC89C52； circuit information acquisition； signal storage； signal output； system design

0 引 言

信號廣泛存在于人們的生活中，常見的信號有振動信號、聲信號、電信號、電磁波信號、雷達(dá)信號等，需要對這些信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和信息處理，結(jié)合信號放大濾波、信號調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)，在信號采集系統(tǒng)中得到有用信息[1]。信號與信息采集在目標(biāo)識別、故障診斷、模式識別和狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。為了提高信號與信息采集的實(shí)時(shí)性，本文利用單片機(jī)的集成控制功能進(jìn)行信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合電路集成設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電路信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)造。在信號與信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換是基于單片機(jī)的信號與信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的核心[2]。在主程序中設(shè)計(jì)定時(shí)器T0和T1，采用T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行信號的實(shí)時(shí)采集和串口通信設(shè)計(jì)，在LabWindows/CVI環(huán)境下進(jìn)行單片機(jī)的程序編譯和信息加載[3]。系統(tǒng)分為繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊等。利用5409A集成智能DSP芯片進(jìn)行信號集成處理，對PCI總線進(jìn)行電路實(shí)時(shí)信息采樣，在信號預(yù)處理機(jī)完成信號的放大、濾波后，在人機(jī)交互模塊接收PCI總線傳遞的用戶信息，實(shí)現(xiàn)對信號頻譜分析和開關(guān)控制；輸出單片機(jī)的控制頻率以及D/A，完成采樣率、采樣通道數(shù)等參數(shù)設(shè)計(jì)；在繼電器模塊中完成電平或輸出動態(tài)增益控制。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，得到基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)部分

2.1 電路結(jié)構(gòu)分析

硬件電路設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。采用集成模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；采用STC89C52單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器，對采集的實(shí)時(shí)信號進(jìn)行FIR濾波，對輸入到通信模塊中的信號進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。在休眠控制狀態(tài)下，通過輸出動態(tài)增益控制碼到存儲接口，對采集的實(shí)時(shí)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；在信號采集的存儲模塊中利用壓控放大器進(jìn)行功率放大控制[4]。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)信號與信息采集系統(tǒng)的電路模塊化分布如圖2所示。

2.2 電路核心器件選擇

本文設(shè)計(jì)的信號與信息采集系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，用MUX101程控電路進(jìn)行干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位設(shè)計(jì)[5]。結(jié)合信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，給出設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器截止頻率范圍為10～20 Hz，數(shù)據(jù)采集放大量為40 dB，輸出信號幅度為12 V；寬帶基陣阻抗匹配動態(tài)增益范圍為20～24 dB，信息采集IDE通道為12通道同步、異步輸入；模擬信號的采樣率[≥]30 kHz；外部存儲器的信息存儲容量[≥]200 GB；D/A分辨率為12位（至少）；收發(fā)轉(zhuǎn)換速率[≥100 kHz]；PCI總線輸出有3個多通道緩沖串口McBSPs。endprint

根據(jù)上述設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)選擇核心器件采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Codec作為串行A/D、D/A 設(shè)備，構(gòu)造三緩存的接收寄存器，通過（R/X）DATDLY設(shè)置中斷電路和復(fù)位電路，在信息傳輸通道提供全雙工通信機(jī)制[6]。用串口PHASE設(shè)置信息接收單元，在（R/X）PHASE中設(shè)置外部數(shù)據(jù)存儲器初始值。用IDT公司IDT70V28作為復(fù)位電路控制芯片，使得電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)支持3.3 V供電電壓，高運(yùn)行速度可以達(dá)15～20 ns。

2.3 電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采用低功耗的STC89C52單片機(jī)進(jìn)行電路的模塊化設(shè)計(jì)，分別對系統(tǒng)的繼電器模塊、單片機(jī)控制模塊、A/D采樣電路模塊、輸出接口模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)描述如下：

系統(tǒng)選用了MBM29LV400BC作為繼電器模塊的空間尋址芯片，采用雙端口RAM進(jìn)行采集信號的放大濾波和調(diào)制設(shè)計(jì)，輸入到FLASH片選芯片中，通過CPLD完成輸入控制和信號的讀、寫操作。在信號采集系統(tǒng)的輸入端，系統(tǒng)的輸入信號為[U1Ai]，則此時(shí)負(fù)載僅為G，那么工作中心頻率f0處電路輸出電壓和電流幅值關(guān)系為：

本文設(shè)計(jì)[A1=]125，實(shí)測[A1=]103。根據(jù)上述分析，進(jìn)行電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的繼電器模塊與單片機(jī)控制模塊的接口設(shè)計(jì)。采用Mux101多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓放大[7]，放大分貝數(shù)由它的控制電壓決定為[Vgain=10-2（Vc+1）]。采用晶振頻率放大電路進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為0～[M1]時(shí)，模擬輸入是[±]10 V時(shí)，采樣序列轉(zhuǎn)換的滿幅值為20 V。在單片機(jī)控制模塊中，LSB為[FSR4 096=]4.883 mV，VDD（6腳）為正電源輸入端，模擬輸入AGND+[32]LSB，DSP數(shù)據(jù)線通過FB（10腳） 輸入到信息采集系統(tǒng)的中央放大器處理單元，輸出范圍0～4.095 V，A4～A0和[IOSTRB]譯碼輸入數(shù)據(jù)[D0～D5]，完成數(shù)據(jù)的寄存和緩存功能。電源芯片采用TPS767D301，在輸出接口單元[D0～D5]（3，2，1，18，17，16）控制低通濾波器截止頻率的碼字，避免外部電源帶來的電磁干擾。在系統(tǒng)時(shí)鐘 fclk 的控制下，A/D采樣電路模塊采樣頻率[8]設(shè)定為[fcp]= 3.595 kHz時(shí)，通過內(nèi)建JTAG接口完成采集信號存儲和放大輸出。

3 電路測試分析

在完成了信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對采集的實(shí)時(shí)信號通過放大濾波器輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行采集信號分析，并在WIN32系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析，用API函數(shù)的CreateFile（ ）單片機(jī)控制函數(shù)打開電路信號寫入功能，在片外I/O外設(shè)選通脈沖，得系統(tǒng)采集輸出信號波形如圖3所示。

分析圖3得知，本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)采集的信號具有較高的信號輸出放大增益，輸出信號穩(wěn)定性和收斂性較好，信號采樣的實(shí)時(shí)性較好，抗干擾能力強(qiáng)。

4 結(jié) 語

本文提出基于STC89C52單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了電路測試。電路測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，具有較高的信號輸出放大增益，信號輸出性能較好。

注：本文通訊作者為冀慎統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王智慧，楊康，解慧中.基于卡爾曼濾波的激光通信跟蹤系統(tǒng)[J].激光雜志，2016，37（12）：103?105.

[2] 王維猛，焦榮華，李曉輝.TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（8）：1?4.

[3] 胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（2）：131?135.

[4] 陳穎峰，王玉紅，王蕾.基于ARM和LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（13）：88?92.

[5] 王洪迅，王士巖，王星，等.瞬時(shí)測頻系統(tǒng)的線性調(diào)頻信號分析及改進(jìn)[J].兵工學(xué)報(bào)，2014，35（8）：1193?1199.

[6] 李貴存，劉萬順，郭啟軍.配電自動化饋線終端的信息采集與通信規(guī)約[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（7）：55?58.

[7] 于超鵬，郝亮飛，謝金華.線性調(diào)頻和巴克碼組合調(diào)制雷達(dá)信號[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2009，31（5）：20?24.

[8] 宋軍，劉渝，薛妍妍.LFM?BPSK復(fù)合調(diào)制信號識別與參數(shù)估計(jì)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45（2）：217?224.

[9] 韓義波，韓璞.交通路口WSN金屬電磁探測汽車信息采集仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（6）：158?161.

[10] 劉蔚柯，呂燕敏，張昆倫.基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（12）：57?59.endprint