一個單片機串行數據采集/傳輸模塊的設計

　　
摘 要：以GMS97C2051單片機為核心，采用TLC2543 12位串行A/D轉換器，設計了一個串行數據采集/傳輸模塊，給出了硬件原理圖和主要源程序。
關鍵詞：串行A/D轉換器；串行數據傳輸；GMS97C2051單片機
　　在微機測控系統中，經常要用到A/D轉換。常用的方法是擴展一塊或多塊A/D采集卡。當模擬量較少或是溫度、壓力等緩變信號場合，采用總線型A/D卡并不是最合適、最經濟的方案。這里介紹一種以GNS97C2051單片機為核心，采用TLC2543 12位串行A/D轉換器構成的采樣模塊，該模塊的采樣數據由單片機串口經電平轉換后送到上位機（IBM PC兼容機）的串口COM1或COM2，形成一種串行數據采集串行數據傳輸的方式。經實踐調試證實：該模塊功耗低、采樣精度高、可靠性好、接口簡便，有一定實用價值。
1 主要器件介紹
1.1 TLC2543串行A/D轉換器
??? 模塊采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節省51系列單片機I/O資源，且價格適中。其特點有：
（1）12位分辨率A/D轉換器；
（2）在工作溫度范圍內10μs轉換時間；
（3）11個模擬輸入通道；
（4）3路內置自測試方式；
（5）采樣率為66kbps；
（6）線性誤差+1LSB（max）
（7）有轉換結束（EOC）輸出；
（8）具有單、雙極性輸出；
（9）可編程的MSB或LSB前導；
（10）可編程的輸出數據長度。?

??? TLC2543的引腳排列如圖1所示。圖1中AIN0～AIN10為模擬輸入端； 為片選端；DIN 為串行數據輸入端；DOUT為A/D轉換結果的三態串行輸出端；EOC為轉換結束端；CLK為I/O時鐘；REF+為正基準電壓端；REF-為負基準電壓端；VCC為電源；GND為地。
1.2 GMS97C2051單片機
??? GMS97C2051是武漢力源公司和韓國LG公司聯合推出的一種性能價格比極高的 8位單片機，其指令系統與MCS-51系列完全兼容。GMS97C2051與AT89C2051兼容（可直接替換），但其性能價格比優于AT89C2051。引腳排列如圖2所示。
1.3 電平轉換器MAX3232
??? MAX3232為RS-232收發器，簡單易用，單+5V電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從TTL電平到RS-232電平的轉換，引腳排列如圖3所示。
2 硬件設計
硬件電路如圖4所示。??

??? 單片機GMS97C2051是整個系統的核心，TLC2543對輸入的模擬信號進行采集，轉換結果由單片機通過P3.5（9腳）接收，AD芯片的通道選擇和方式數據通過P3.4（8腳）輸入到其內部的一個8位地址和控制寄存器，單片機采集的數據通過串口（3、2腳）經MAX3232轉換成RS232電平向上位機傳輸。圖中串行LCD顯示電路僅用于調試，對采集/傳輸的數據進行監測。

3 單片機軟件設計
??? 單片機程序主要包括串行數據采集模塊“DATA_SAM”和串行數據傳輸模塊“RS232”，調試所用到的顯示子程序在此略去。
??? TLC2543的通道選擇和方式數據為8位，其功能為：D7、D6、D5和D4用來選擇要求轉換的通道，D7D6D5D4=0000時選擇0通道，D7D6D5D4=0001時選擇1通道，依次類推；D3和D2用來選擇輸出數據長度，本程序選擇輸出數據長度為12位，即D3D2=00或D3D2=10；D1，D0選擇輸入數據的導前位，D1D0=00選擇高位導前。
??? TLC2543在每次I/O周期讀取的數據都是上次轉換的結果，當前的轉換結果在下一個I/O周期中被串行移出。第一次讀數由于內部調整，讀取的轉換結果可能不準確，應丟棄。
數據采集程序如下：
DATA_SAM:?
MOV???? R0,#30H?；數據緩沖區首地址30H→R0
MOV???? R1,#00000000B?；0通道方式/通道數據
?ACALL? RD_AD?；第一次讀取的轉換結果可能不準確,丟棄。
MOV???? R1,#00010000B?；1通道方式/通道數據
ACALL? RD_AD?；送1通道方式/通道數據并讀第0通道轉換結果
MOV???? @R0,R2?；轉換結果存放到數據緩沖區,下同
INC??? R0?
MOV???? @R0,R3?
INC??? R0?
MOV???? R1,#00100000B?；2通道方式/通道數據
ACALL? RD_AD?；送2通道方式/通道數據并讀第1通道轉換結果
MOV???? @R0,R2?
INC??? R0?
MOV???? @RO,R3?
INC??? R0?
…………?；其它通道操作方式類推
RET?
單片機通過編程產生串行時鐘，并按時序發送與接收數據位，完成通道方式/通道數據的寫入和轉換結果的讀出，程序如下，供數據采集模塊“DATA_SAM” 調用。
???? CLK??? EQU????? P3.3?
???? DIN??? EQU????? P3.4?
???? DOUT?? EQU????? P3.5?
　　 CS????? EQU???? P3.7?
???? RD_AD: ?
???? CLR??? CLK ?；清I/O時鐘
　　SETB?? CS ?；設置片選為高
　　CLR??? CS ?；設置片選為低
　　MOV???? R4,#08 ?；先讀高8位
　　MOV??? A, R1?；把方式/通道控制字放到A
LOP1:?
　　 MOV??? C,DOUT ?；讀轉換結果
　　RLC??? A?；A寄存器左移，移入結果數據位，移出方式/通道控制位
　　MOV???? DIN,C?；輸出方式/通道位
　　SETB?? CLK?；設置I/O時鐘為高
　　CLR??? CLK?；清I/O時鐘
　　DJNZ?? R4,LOP1?；R4不為0，則返回LOP1
　　MOV???? R2,A?；轉換結果的高8位放到R2中
　　MOV???? A,#00H?；復位A寄存器
　　MOV???? R4,#04?；再讀低4位
LOP2:?
　　MOV???? C,DOUT?；讀轉換結果
　　RLC??? A?；A寄存器左移，移入結果數據位
　　SETB?? CLK?；設置I/O時鐘為高
　　CLR??? CLK?；清I/O時鐘
　　DJNZ?? R4,LOP2?；R4不為0，則返回LOP2
?MOV???? R3,A?；轉換結果的低4位放到R3中
SETB?? CS?；設置片選為高
RET?
串行數據傳輸模塊包括串行口初始化子程序和數據傳輸子程序，各子程序分別如下。其中數據傳輸采用查詢方式，也可以方便地改為中斷方式。
INIT_COM:?
MOV?? SCON,#50H?；串口方式1工作，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗
MOV?? PCON,#80H ?；SMOD=1，波特率增倍
MOV?? TMOD,#20H?；波特率設置，fOSC=12MHz，波特率=2* 2400，N=0F3H
MOV?? TH1,#0F3H ?
MOV?? TL1,#0F3H?
SETB? TR1 ?；啟動定時器T1
RET?
RS232: ?
MOV?? R0,#30H?；緩沖區首地址30H→R0
MOV?? R5,#22?；發送數據長度→R5，11* 2=22
LOOP:?
MOV?? A,@R0?；取數據→A
MOV?? SBUF,A?；數據→SBUF
WAIT:??
JBC?? TI,CONT?；判斷發送中斷標志，是1則轉到CONT，并清TI
SJMP? WAIT?
CONT: ?
INC?? R0?
DJNZ? R5,LOOP?
RET ?
4 上位機串口接收程序設計
上位機接收數據所用C語言程序包括初始化子程序和接收子程序。各子程序分別如下：
void init_com1(void) /*初始化子程序*/
{
outportb(0x3fb,0x80); /*線控制寄存器高位置1，使波特率設置有效*/
outportb(0x3f8,0x18); /*波特率設置，與單片機波特率一致為4800bps*/
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03); /*線控制寄存器設置，8位數據位，1位停止位,無奇偶校驗*/
outportb(0x3fc,0x03); /*Modem控制寄存器設置,使DTR和RTS輸出有效*/
outportb(0x3f9,0x00); /*設置中斷允許寄存器，禁止一切中斷*/
}
void receive_data(void) /*查詢方式接收數據子程序*/
{
?while(!kbhit())
{
while(!(inportb(0x3fd)&0x01));/*若接收寄存器為空，則等待*/
printf("%x ",inportb(0x3f8)); /*讀取結果并顯示*/
}
getch();
}
5 結論
　　本文給出的硬件和軟件均經過實踐檢驗，并且已經按照PC/104總線制作成數據采集卡，使用很方便，能夠滿足對數據采樣頻率要求不是特別高的應用場合。
參 考 文 獻
1 TLC2543模數轉換器數據手冊及應用筆記. 武漢力源電子股份有限公司，1999
2 一九九九年產品目錄（第一期）. 武漢力源電子股份有限公司, 1999
3 何立民. MS-51系列單片機應用系統設計. 北京：北京航空航天大學出版社, 1999
4 NEW RELEASES DATA BOOK（Volume V）. MAXIM，1996: 2-61～2-72