基于單片機的脈沖數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

朱 超，孫萬麟，宋莉莉

（新疆昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉831100）

脈沖信號的丟失往往是造成誤差的主要因素，特別是對一些非電信號的檢測，比如說位移量轉(zhuǎn)化為脈沖信號，而精確的測量位移然后準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)據(jù)就顯得尤為重要，現(xiàn)階段市場上有很多一起可以直接將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移、速度等物理量，如數(shù)字顯示器，但很少有將位移量轉(zhuǎn)化為脈沖信號的，因此，我們可以設(shè)計一種可以直接將位移量轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)據(jù)的，并且可以通過顯示器顯示的測量電路，這將給我們測量帶來諸多便利。

1 AT89S52數(shù)據(jù)采集指標(biāo)分析

常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出采用上位機和下位機兩層結(jié)構(gòu)模式。下位常采用單片機完成前端的多路數(shù)據(jù)采集，上位機則通常用PC機或工控機來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理機結(jié)果顯示。有線常用RS－232或RS－485通信協(xié)議等，其上可以運行地址或數(shù)據(jù)等不同的信號類型，之間采用分時或編碼的方式加以區(qū)分。

由于采用主從雙MCU系統(tǒng)，所以這部分問題的核心在于選擇什么芯片[1]。設(shè)計要求采樣八通道，精度為4位，因此可以采用8位的ADC芯片，選用RS－232串口，由于RS－232性價比高，在短距離傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，在本設(shè)計中完全可以滿足要求。

2 總體設(shè)計方案

如圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖，它由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機及驅(qū)動控制構(gòu)成。各部分模塊的作用如下:

1)被測物理量:位移變化量;

2)位移傳感器:將測量到的物理量通過特殊電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號量,再通過傳感器電路中的輸出系統(tǒng)輸出模擬信號。這里采用光柵尺位移傳感器，其基本要求如下：

量程：0～300 mm;

傳感器靈敏度：200次/mm;

傳感器分辨率：5μm;

傳感器信號輸出頻率：＜1 000 Hz;

3)儀表放大器電路:對微弱的檢測比較困難的模擬信號通過放大電路進行不失真放大,確保能夠與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路有效的連接，同時保證模數(shù)信號的轉(zhuǎn)換精度;

4)被測電量電路:本電路設(shè)計采用0～5 V之間的直流模擬電壓作為一路輸入信號;

5)A/D轉(zhuǎn)換器:將模擬信號通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸出信號為數(shù)字信號。

6)AT89S52單片機:此單片機具有小型計算機功能，性能很高但功耗卻很低，是一種高性價比的8位微控制器，它是整個脈沖數(shù)據(jù)采集電路的核心組成部分。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Data acquisition system principle diagram

3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

當(dāng)前所使用的光柵尺位移傳感器量程為300 mm，精度為5μm，即光柵尺傳感器檢測到一個脈沖位移的變化量為5 μm，脈沖數(shù)據(jù)采集就是指光柵傳感器與它待測顯示儀器數(shù)字顯示表通過串口連接，當(dāng)光柵尺位移傳感器的位移發(fā)生變化時就會產(chǎn)生脈沖信號，信號通過數(shù)顯器內(nèi)脈沖信號轉(zhuǎn)換電路就可以將光柵尺位移變化準(zhǔn)確地顯示，脈沖信號經(jīng)過信號線并聯(lián)，一路輸出給數(shù)顯器進行讀數(shù)顯示[2]。另一路脈沖信號使用串口連接上位機，通過上位機程序中進行分析、處理，脈沖采集系統(tǒng)是綜合計算機、機床設(shè)備還有專用測量儀器等相互結(jié)合靈活運用及用戶自定義功能的測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)脈沖數(shù)據(jù)的顯示、位移大小顯示、脈沖與位移之間的轉(zhuǎn)換等功能，可通過USB、串口等接入個人計算機[2]。

3.1 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

如圖2電源電平轉(zhuǎn)換電路是專門為RS232設(shè)計的電源電平轉(zhuǎn)換芯片電路。由于RS-232的邏輯低電平0電平規(guī)定為+5～+15 V，邏輯高電平1電平規(guī)定為-15～5 V，因此在與TTL電路連接時必須經(jīng)過高低電平之間的轉(zhuǎn)換[3]。高低電平之間的電平轉(zhuǎn)換方法有很多，此電路直接采用電平轉(zhuǎn)換芯片，此轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)點是：在電路中占地空間比較小，不需要單獨設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路，并且與其他電路連接起來非常方便，還有此芯片已做得非常成熟，工作穩(wěn)定可靠，具有極好的抗干擾抗靜電能力[4]。

圖2 電源電平轉(zhuǎn)換電路Fig.2 The power level converting circuit

3.2 模擬信號整形、濾波、放大電路

如圖3模擬信號整形放大電路采用74HTC14芯片，此芯片有兩個D觸發(fā)器，PR端為預(yù)置端，CLR端為清零端，CP端為時鐘輸入端。此電路具有施密特觸發(fā)器的優(yōu)點：1)波形變換功能，可將三角波、正弦波等變成矩形波；2)脈沖波整形功能，在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖；3)脈沖鑒幅功能，幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號進行輸出[5]。

圖3 模擬信號整形放大電路Fig.3 Shaping of the analog signal amplification circuit

此模擬信號整形電路的設(shè)計實現(xiàn)了6路施密特觸法反相放大器功能，將系統(tǒng)緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成了清晰、穩(wěn)定、無抖動的輸出信號，有效的提高了LED顯示脈沖數(shù)據(jù)的精確性。

3.3 USB轉(zhuǎn)串口通訊電路設(shè)計

圖4 USB轉(zhuǎn)串口通訊電路Fig.4 USB to serial communication circuit

該轉(zhuǎn)換電路采用CH341A型號的USB總線轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有28個管腳，工作狀態(tài)有2種，一種工作狀態(tài)是同步串口模式，另一種是異步串口模式。當(dāng)工作在同步串口模式時必須使芯片23管腳SDA接地或者接低電平，因為此引腳為功能配置輸入引腳，內(nèi)部具有上拉電阻限制電位；16管腳DSR具有復(fù)位(RST)功能；18管腳DCD具有時鐘信號（SCK）功能；20管腳DTR具有數(shù)據(jù)輸出（MOSI）功能；22管腳SLP具有數(shù)據(jù)輸入（MISO）功能。而當(dāng)該芯片工作在異步串口模式時必須使23管腳SDA懸空，此時5管腳TXD為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，6管腳RXD為串行數(shù)據(jù)接收端，同時27引腳在低電平有效時該芯片才能發(fā)送接收數(shù)據(jù)；26管腳TNOW為串口發(fā)送數(shù)據(jù)正在進行的狀態(tài)指示功能，高電平有效，在半雙工串口方式下，該引腳可用于串口數(shù)據(jù)接收發(fā)送切換狀態(tài)。在以上兩種工作模式中，10引腳UD+和11引腳UD-與USB端口相對應(yīng)接，13引腳XI、14引腳XO分別接晶振和振蕩電容，9引腳V3為直流電源電壓選擇端，電源電壓為5 V時，該引腳需要接一個0.47μF的極性電容和0.1μF、0.01μF的電容接地。其它信號線引腳根據(jù)電路功能需要選用，不需要時都可以懸空。

3.4 AT89S52核心控制電路設(shè)計

如圖6所示，采用AT89S52與兩個74HC573鎖存器傳輸信息使用，AT89S52具有低功耗、高性能、8K字節(jié)的Flash及32位I/O口線、全雙工串行通信口等優(yōu)點。其中U10鎖存該轉(zhuǎn)換電路主要是為解決當(dāng)前計算機串行通訊接口只有USB，難以滿足舊型號設(shè)備或某些單片機要求RS232通訊的問題，故采用CH341A與MAX223集成電路芯片構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)9線RS232/USB通用接口轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器功耗很小，由USB端口提供電源，并且在上位機驅(qū)動程序的控制下無需二次編程開發(fā)即可使用[6]，RS232/USB轉(zhuǎn)換器通訊測試如圖5所示。器做位選功能，U9鎖存器做段選功能，這樣就可以有效擴展AT89S52單片機P2的I/O端口，使程序控制信息與脈沖數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中能夠非常有效的控制，這為多路脈沖數(shù)據(jù)的采集提供了重要的基礎(chǔ)。

圖5 RS232/USB轉(zhuǎn)換器通訊測試圖Fig.5 RS232/USB converter communication testchart

圖6 AT89S52核心控制電路Fig.6 The AT89S52 core control circuit

4 結(jié)論

此脈沖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計能很好地解決位移變化非常緩慢但又不便用儀器測量的裝置，可以將緩慢變化的位移量通過脈沖數(shù)據(jù)來顯示，這就給電機的精確進給量提供了有效的依據(jù)，可以通過編程上位機程序來進行自動進給量，也可以通過手動單個脈沖的進給，這將非常有效地提高測量精度和加工精度。

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