智能化多路串行数据采集/传输模块的设计

引言

随着电子技术的不断发展，目前对各种物理量的检测和控制都可得以实现。微机检测控制系统不仅运用到航天航空、机器人技术、纺织机械、食品加工等工业过程控制，而且已经成为日常各种家用电器当中的主要组成部分。其中，A/D（模拟数字转换）设备起着十分重要的作用。这样，一个系统中就会需要更多的A/D设备。一般是用扩展一块或多块A/D采集卡的方法去实现。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AT89C2051单片机为核心，采用TLC2543L12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（PC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。

主要元件功能介绍

AT89C2051单片机

AT89C2051是ATMEL公司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。引脚排列如图1所示。

TLC2543L串行A/D转换器

TLC2543L采用SPI串行接口总线，SPI串行接口总线由Motorola公司提出，它是一种三线同步接口，分别为同步信号、输入信号和输出信号。另外芯片还有一根片选线，单片机通过片选线选通TLC2543L。其中，CLK为同步时钟脉冲，CS为片选线，DIN为单片机的数据输出和TLC2543L的数据输入线，DOUT为单片机的数据输入线和TLC2543L的数据输出线。图2为TLC2543L时序图。TLC2543L是全双工的，即数据的发送和接收可同时进行。如果只是对TLC2543L写数据，单片机可以丢弃同时读入的数据；反之，如果只读数据，可以在命令字节后，写入任意数据。数据传送以字节为单位，并采用高位在前的格式。

模块采用TI公司的TLC2543L12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近法完成A/D转换过程。串行输入结构，能够大大节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。其特点有：

(1)11个模拟输入通道；

(2)转换时间10s；

(3)12位分辨率A/D转换器；

(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。TLC2543L的引脚排列如图3所示。图3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。

电平转换器MAX232C

MAX232C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4所示。

硬件设计

硬件电路如图5所示。

单片机AT89C2051是整个系统的核心，TLC2543L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MAX232C转换成RS232电平向上位机传输。

单片机软件设计

单片机程序主要包括串行数据采集/传输模块的系统信息、通道数、采集周期和通讯协议定义，以及数据采集和传输的标准子程序。

TLC2543L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。

TLC2543L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：

sbitDATAIN=P1^1;

sbitCLOCK=P1^0;

sbitDATAOUT=P1^2;

sbitCS=P1^3;

bitdatain_a_bit0()

{bitm=0;

DATAOUT=1;

m=DATAOUT;

DATAIN=0;

Nop();

CLOCK=1;

Nop();

CLOCK=0;

Return(m);

}

bitdatain_a_bit1()

{bitm=0;

DATAOUT=1;

m=DATAOUT;

DATAIN=1;

Nop();

CLOCK=1;

Nop();

CLOCK=0;

Return(m);

}

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：

unsignedintTlc2543L(unsignedcharch)

{unsignedchari,chch=0;

unsignedintxdataxxx=0;

unsignedintxdatay=0;

CS=0;

Chch=ch<<4;

Y=chch;

Y<<=8;

I=0;

While(I<12)

{if((y&0x8000)==0)

{if(datain_a_bit0()==0)xxx&=0xfffe;

elsexxx|=0x0001;

if(I!=11)xxx<<=1;

}

else

{if(datain_a_bit1()==0)xxx&=0xfffe;

elsexxx|=0x0001;

if(I!=11)xxx<<=1;

}

y<<=1;

I+=1;

}

CS=1;

Return(xxx);

}

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。[!--empirenews.page--]

Voidrs232init()

{TMOD=0x20;

TH1=0xfd;

TR1=1;

SCON=0x50;

}

voidreceandtran()

{unsignedcharda;

while(!RI)

RI=0;

Da=SBUF;

SBUF==da;

While(!TI);

TI=0;

}

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：

voidcominit(void)

{

outportb(0x3fb,0x80);

outportb(0x3f8,0x18);/与单片机波特率一致为9600bps*/

outportb(0x3f9,0x00);

outportb(0x3fb,0x03);/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*/

}

voiddata_rece(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();

}

智能化串行采集/传输模块在PCR仪中的应用

在PCR仪的电路设计中，因需要检测的信号很多，包括热盖的温度检测，散热器的温度检测，腔体内部的温度检测，气流的温度检测，光信号的检测等等，为了简化电路，节约成本，减小体积，在选择A/D转换电路时选用了SPI总线的TLC2543，该芯片有多达11路的模拟信号输入端，完全满足PCR仪电路设计的需要，一个芯片既能完成检测多个信号的功能，又能节约单片机的资源，图6是其硬件原理图。

结论

本文所述的智能化串行数据模块，可直接用于任何微机控制和检测系统中以取代原来的模数转换设计。经过实践检验，该模块功耗低、采样精度高、可靠性好、接口简便，有很高的实用价值。该智能模块的软件和硬件成功应用于生命科学仪器“热循环仪”的设计和实践中，使用方便，简单可行，节约成本，能够满足大多数数据采样的应用场合。