基于单片机的多路信号采集系统设计

摘要：本文设计了一个用AT89S51单片机和模数转换芯片TLC2543等构成的数据采集系统。本系统可以采集多路模拟信号，并且可以将采集来的信号进行处理，生成数字信号，通过串口与计算机进行通信，可以通过上位机编写的软件实现数据的实时采集、处理、存储及显示等。

关键词：数据采集 AT89S51单片机 模数转换 串口通信

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0138-02

随着电子技术的高速发展，数字系统在电子产品中的比例越来越高，A/D、D/A转换器作为数字电路与模拟电路之间的桥梁，其意义越来越重要。在现今的计算机控制系统中，输入设备经常要遇到各类模拟输入信号，这时就需要模数转化器将模拟信号转换为数字信号，而使用一些高端采集卡，不仅使设计变得更复杂，也增加了设计的成本。在对一些温度、压力、流量等变化缓慢的模拟信号进行采集时，使用A/D转换芯片不失为一种经济、实用的选择。本文以51单片机为控制核心，采用串行模数转换芯片TLC2543为信号采集芯片，并通过串口与PC机进行通信，上位机用VB编写应用软件，将采集的信号保存在数据库中，并进行统计与实时显示。

1 信号采集系统的设计

本数据采集系统的控制器采用Atmel公司的AT89S51单片机，此款芯片是一种经济、高性能单片机，市场推广度高，其特性如下：（1）4KB在系统编程（ISP）Flash闪速存储器128B片内RAM；（2）1000次擦写周期；（3）工作电压4～5.5V，编程电压12V/5V；（4）工作频率0～33MHz；（5）可编程并口线32个；（6）中断源5个；（7）2个16位定时/计数数器；（8）全双工串行UART通道。

本信号采集系统输入的模拟量为一些常用工业上的非高速变化信号，例如温度、压力、流量等，考虑到系统设计的复杂性和成本制造的经济性，我们选用美国TI公司设计生产的12位串行模数转换器TLC2543，它是12位开关电容逐次逼近型A/D转换器，通过串行接口与主控制器或外设通信。TLC2543片内有一个14通道的模拟多路复用器，可对11个输入通道或3个内部自校准电压进行采集，采样保持是自动进行的。每次采样结束后，EOC输出变成高电平，表明转换已经结束，可以读取数据。这些转换器均接受差分外部基准输入，实现比例型A/D转换。其特点有：

（1）分辨率：12位；（2）转换时间：10us；（3）11个模拟输入通道；（4）内建3种自测试模式；（5）采样保持功能；（6）线性误差：±1LSB；（7）转换结束标志输出；（8）片内系统时钟；（9）单极性或者双极性输出；（10）可编程的MSB在前或LSB在前；（11）可编程输出数据长度。

在串口通信过程中，单片机串口使用的是TTL电平，PC机使用的是RS232电平，单片机与PC机不能直接连接，通常需要在单片机端通过MAX232芯片将电平转换为RS232电平格式。信号采集系统电路原理图如图1所示。

2 信号采集系统程序设计

本信号采集系统的程序主要包括用C51程序编写的信号采集与处理程序，以及单片机与PC机串口通信的程序，还有在PC机上用VB编写的显示与数据统计的程序。

单片机通过部分I/O口对模数转换器进行控制，利用软件来完成与TLC2543的串行通信，在通信时严格按照芯片定义的工作时序来编程。首先，将控制字通过DIN引脚写入芯片内部，确定模拟通道的地址，输出的位数，高位在前还是低位在前以及是否有极性输出，在每个上升沿输入数据被串入DIN引脚；其次，延时一段时间，进行数据转换，直到EOC引脚变高转换结束；然后，读出转换的数据，在向DIN引脚写入数据时，DOUT输出的是上一次的转换数据，应当丢弃再读一次，就是当前的转换数据，先读结果的高4位，再读结果的低8位，合成在一起就是12位的A/D转换值。数据采集程序流程图如图2所示。

单片机与PC机的串口通信程序是将TLC2543芯片转换完成的数字数据通过单片机的串口以一定的速率发送给PC机，本系统采用的是9600b/s的比特率。传输的数据以6个字节为一个单位，前两个字节为同步代码，中间两个字节为数据代码，最后两个字节为校验码。单片机与PC机通信程序流程图如图3所示。

PC机上的显示界面用Visual Basic语言编写，通过RS232串口线接受单片机发送过来的数据，并进行存储、统计以及实时显示到计算机屏幕上。在显示数据的属性设置上，设置成只要外界有数据传送，随即就引发事件，这样就能实时反映模拟量的变化。同时还可以加上保存、数据统计等按钮。图4为PC机接收串口数据程序流程图。

3 结语

在实际使用中，我们可以看到现阶段串口通信或一线式通信越来越成为数据传输的主流方式，它不仅可以减少使用控制芯片的I/O引脚，也可以大大简化电路设计的复杂性，节约硬件制作的成本。在后续的使用中，也可以与PC机或其他控制芯片相连接，组建起控制网络，实现数据的统一存储与信号的集中控制，在实际工程中有广泛的实用价值。

参考文献

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