一个单片机串行数据采集/传输模块的设计

西安第二炮兵工程学院180分队(710025) 吴勇军  陈祥初  赵军红  刘政波


摘 要
 
   以GMS97C2051单片机为核心,采用TLC2543 12位串行A/D转换器,设计了一个串行数据采集/传输模块,给出了硬件原理图和主要源程序。

    关键词    串行A/D转换器    串行数据传输    GMS97C2051单片机

    在微机测控系统中,经常要用到A/D转换。常用的方法是扩展一块或多块A/D采集卡。当模拟量较少或是温度、压力等缓变信号场合,采用总线型A/D卡并不是最合适、最经济的方案。这里介绍一种以GNS97C2051单片机为核心,采用TLC2543 12位串行A/D转换器构成的采样模块,该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机(IBM PC兼容机)的串口COM1或COM2,形成一种串行数据采集串行数据传输的方式。经实践调试证实:该模块功耗低、采样精度高、可靠性好、接口简便,有一定实用价值。

1 主要器件介绍

1.1 TLC2543串行A/D转换器

    模块采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O资源,且价格适中。其特点有:

(1)12位分辨率A/D转换器;
(2)在工作温度范围内10μs转换时间;
(3)11个模拟输入通道;
(4)3路内置自测试方式;
(5)采样率为66kbps;
(6)线性误差+1LSB(max)
(7)有转换结束(EOC)输出;
(8)具有单、双极性输出;
(9)可编程的MSB或LSB前导;
(10)可编程的输出数据长度。

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    TLC2543的引脚排列如图1所示。图1中AIN0~AIN10为模拟输入端;为片选端;DIN 为串行数据输入端;DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端;EOC为转换结束端;CLK为I/O时钟;REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端;VCC为电源;GND为地。

1.2 GMS97C2051单片机

    GMS97C2051是武汉力源公司和韩国LG公司联合推出的一种性能价格比极高的 8位单片机,其指令系统与MCS-51系列完全兼容。GMS97C2051与AT89C2051兼容(可直接替换),但其性能价格比优于AT89C2051。引脚排列如图2所示。

1.3 电平转换器MAX3232

    MAX3232为RS-232收发器,简单易用,单+5V电源供电,仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换,引脚排列如图3所示。

2 硬件设计

硬件电路如图4所示。

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    单片机GMS97C2051是整个系统的核心,TLC2543对输入的模拟信号进行采集,转换结果由单片机通过P3.5(9脚)接收,AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4(8脚)输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器,单片机采集的数据通过串口(3、2脚)经MAX3232转换成RS232电平向上位机传输。图中串行LCD显示电路仅用于调试,对采集/传输的数据进行监测。

3 单片机软件设计

    单片机程序主要包括串行数据采集模块“DATA_SAM”和串行数据传输模块“RS232”,调试所用到的显示子程序在此略去。

    TLC2543的通道选择和方式数据为8位,其功能为:D7、D6、D5和D4用来选择要求转换的通道,D7D6D5D4=0000时选择0通道,D7D6D5D4=0001时选择1通道,依次类推;D3和D2用来选择输出数据长度,本程序选择输出数据长度为12位,即D3D2=00或D3D2=10;D1,D0选择输入数据的导前位,D1D0=00选择高位导前。

    TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转换的结果,当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。第一次读数由于内部调整,读取的转换结果可能不准确,应丢弃。

数据采集程序如下:

DATA_SAM:
MOV     R0,#30H

;数据缓冲区首地址30H→R0

MOV     R1,#00000000B ;0通道方式/通道数据
ACALL  RD_AD ;第一次读取的转换结果可能不准确,丢弃。
MOV     R1,#00010000B ;1通道方式/通道数据
ACALL  RD_AD ;送1通道方式/通道数据并读第0通道转换结果
MOV     @R0,R2 ;转换结果存放到数据缓冲区,下同
INC    R0
MOV     @R0,R3
INC    R0
MOV     R1,#00100000B ;2通道方式/通道数据
ACALL  RD_AD ;送2通道方式/通道数据并读第1通道转换结果
MOV     @R0,R2
INC    R0
MOV     @RO,R3
INC    R0
………… ;其它通道操作方式类推
RET

    单片机通过编程产生串行时钟,并按时序发送与接收数据位,完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出,程序如下,供数据采集模块“DATA_SAM” 调用。

CLK    EQU      P3.3
DIN    EQU      P3.4
DOUT   EQU      P3.5
CS      EQU     P3.7
RD_AD:
CLR    CLK ;清I/O时钟
SETB   CS ;设置片选为高
CLR    CS ;设置片选为低
MOV     R4,#08 ;先读高8位
MOV    A, R1 ;把方式/通道控制字放到A
LOP1:
     MOV    C,DOUT ;读转换结果
RLC    A ;A寄存器左移,移入结果数据位,移出方式/通道控制位
MOV     DIN,C ;输出方式/通道位
SETB   CLK ;设置I/O时钟为高
CLR    CLK ;清I/O时钟
DJNZ   R4,LOP1 ;R4不为0,则返回LOP1
MOV     R2,A ;转换结果的高8位放到R2中
MOV     A,#00H ;复位A寄存器
MOV     R4,#04 ;再读低4位
LOP2:
MOV     C,DOUT ;读转换结果
RLC    A ;A寄存器左移,移入结果数据位
SETB   CLK ;设置I/O时钟为高
CLR    CLK ;清I/O时钟
DJNZ   R4,LOP2 ;R4不为0,则返回LOP2
MOV     R3,A ;转换结果的低4位放到R3中
SETB   CS ;设置片选为高
RET

    串行数据传输模块包括串行口初始化子程序和数据传输子程序,各子程序分别如下。其中数据传输采用查询方式,也可以方便地改为中断方式。

INIT_COM:
MOV   SCON,#50H ;串口方式1工作,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验
MOV   PCON,#80H ;SMOD=1,波特率增倍
MOV   TMOD,#20H ;波特率设置,fOSC=12MHz,波特率=2* 2400,N=0F3H
MOV   TH1,#0F3H
MOV   TL1,#0F3H
SETB  TR1 ;启动定时器T1
RET
RS232:
MOV   R0,#30H ;缓冲区首地址30H→R0
MOV   R5,#22 ;发送数据长度→R5,11* 2=22
LOOP:
MOV   A,@R0 ;取数据→A
MOV   SBUF,A ;数据→SBUF
WAIT:
JBC   TI,CONT ;判断发送中断标志,是1则转到CONT,并清TI
SJMP  WAIT
CONT:
INC   R0
DJNZ  R5,LOOP
RET

4 上位机串口接收程序设计

    上位机接收数据所用C语言程序包括初始化子程序和接收子程序。各子程序分别如下:

void init_com1(void) /*初始化子程序*/
{
outportb(0x3fb,0x80); /*线控制寄存器高位置1,使波特率设置有效*/
outportb(0x3f8,0x18); /*波特率设置,与单片机波特率一致为4800bps*/
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03); /*线控制寄存器设置,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验*/
outportb(0x3fc,0x03); /*Modem控制寄存器设置,使DTR和RTS输出有效*/
outportb(0x3f9,0x00); /*设置中断允许寄存器,禁止一切中断*/
}
void receive_data(void) /*查询方式接收数据子程序*/
{
     while(!kbhit())
     {
while(!(inportb(0x3fd)&0x01));/*若接收寄存器为空,则等待*/
printf("%x ",inportb(0x3f8)); /*读取结果并显示*/
     }
     getch();
}   

5 结论

    本文给出的硬件和软件均经过实践检验,并且已经按照PC/104总线制作成数据采集卡,使用很方便,能够满足对数据采样频率要求不是特别高的应用场合。

参 考 文 献

1 TLC2543模数转换器数据手册及应用笔记. 武汉力源电子股份有限公司,1999
2 一九九九年产品目录(第一期). 武汉力源电子股份有限公司, 1999
3 何立民. MS-51系列单片机应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 1999
4 NEW RELEASES DATA BOOK(Volume V). MAXIM,1996: 2-61~2-72