基于单片机的脉冲数据采集电路设计

朱 超，孙万麟，宋莉莉

（新疆昌吉学院 物理系，新疆 昌吉831100）

脉冲信号的丢失往往是造成误差的主要因素，特别是对一些非电信号的检测，比如说位移量转化为脉冲信号，而精确的测量位移然后准确的转化为脉冲数据就显得尤为重要，现阶段市场上有很多一起可以直接将脉冲数据转化为位移、速度等物理量，如数字显示器，但很少有将位移量转化为脉冲信号的，因此，我们可以设计一种可以直接将位移量转化为脉冲数据的，并且可以通过显示器显示的测量电路，这将给我们测量带来诸多便利。

1 AT89S52数据采集指标分析

常见的数据采集系统提出采用上位机和下位机两层结构模式。下位常采用单片机完成前端的多路数据采集，上位机则通常用PC机或工控机来实现系统的控制和相关的数据处理机结果显示。有线常用RS－232或RS－485通信协议等，其上可以运行地址或数据等不同的信号类型，之间采用分时或编码的方式加以区分。

由于采用主从双MCU系统，所以这部分问题的核心在于选择什么芯片[1]。设计要求采样八通道，精度为4位，因此可以采用8位的ADC芯片，选用RS－232串口，由于RS－232性价比高，在短距离传输稳定等优点，在本设计中完全可以满足要求。

2 总体设计方案

如图1是数据采集系统原理框图，它由传感器、A/D转换电路、单片机及驱动控制构成。各部分模块的作用如下:

1)被测物理量:位移变化量;

2)位移传感器:将测量到的物理量通过特殊电路转变为模拟信号量,再通过传感器电路中的输出系统输出模拟信号。这里采用光栅尺位移传感器，其基本要求如下：

量程：0～300 mm;

传感器灵敏度：200次/mm;

传感器分辨率：5μm;

传感器信号输出频率：＜1 000 Hz;

3)仪表放大器电路:对微弱的检测比较困难的模拟信号通过放大电路进行不失真放大,确保能够与模数转换电路有效的连接，同时保证模数信号的转换精度;

4)被测电量电路:本电路设计采用0～5 V之间的直流模拟电压作为一路输入信号;

5)A/D转换器:将模拟信号通过转换电路转换成数字信号，输出信号为数字信号。

6)AT89S52单片机:此单片机具有小型计算机功能，性能很高但功耗却很低，是一种高性价比的8位微控制器，它是整个脉冲数据采集电路的核心组成部分。

图1 数据采集系统原理框图Fig.1 Data acquisition system principle diagram

3 数据采集电路的设计

当前所使用的光栅尺位移传感器量程为300 mm，精度为5μm，即光栅尺传感器检测到一个脉冲位移的变化量为5 μm，脉冲数据采集就是指光栅传感器与它待测显示仪器数字显示表通过串口连接，当光栅尺位移传感器的位移发生变化时就会产生脉冲信号，信号通过数显器内脉冲信号转换电路就可以将光栅尺位移变化准确地显示，脉冲信号经过信号线并联，一路输出给数显器进行读数显示[2]。另一路脉冲信号使用串口连接上位机，通过上位机程序中进行分析、处理，脉冲采集系统是综合计算机、机床设备还有专用测量仪器等相互结合灵活运用及用户自定义功能的测量系统，此系统可实现脉冲数据的显示、位移大小显示、脉冲与位移之间的转换等功能，可通过USB、串口等接入个人计算机[2]。

3.1 电平转换电路设计

如图2电源电平转换电路是专门为RS232设计的电源电平转换芯片电路。由于RS-232的逻辑低电平0电平规定为+5～+15 V，逻辑高电平1电平规定为-15～5 V，因此在与TTL电路连接时必须经过高低电平之间的转换[3]。高低电平之间的电平转换方法有很多，此电路直接采用电平转换芯片，此转换芯片的优点是：在电路中占地空间比较小，不需要单独设计电平转换电路，并且与其他电路连接起来非常方便，还有此芯片已做得非常成熟，工作稳定可靠，具有极好的抗干扰抗静电能力[4]。

图2 电源电平转换电路Fig.2 The power level converting circuit

3.2 模拟信号整形、滤波、放大电路

如图3模拟信号整形放大电路采用74HTC14芯片，此芯片有两个D触发器，PR端为预置端，CLR端为清零端，CP端为时钟输入端。此电路具有施密特触发器的优点：1)波形变换功能，可将三角波、正弦波等变成矩形波；2)脉冲波整形功能，在数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲；3)脉冲鉴幅功能，幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出[5]。

图3 模拟信号整形放大电路Fig.3 Shaping of the analog signal amplification circuit

此模拟信号整形电路的设计实现了6路施密特触法反相放大器功能，将系统缓慢变化的输入信号转换成了清晰、稳定、无抖动的输出信号，有效的提高了LED显示脉冲数据的精确性。

3.3 USB转串口通讯电路设计

图4 USB转串口通讯电路Fig.4 USB to serial communication circuit

该转换电路采用CH341A型号的USB总线转换芯片，该芯片具有28个管脚，工作状态有2种，一种工作状态是同步串口模式，另一种是异步串口模式。当工作在同步串口模式时必须使芯片23管脚SDA接地或者接低电平，因为此引脚为功能配置输入引脚，内部具有上拉电阻限制电位；16管脚DSR具有复位(RST)功能；18管脚DCD具有时钟信号（SCK）功能；20管脚DTR具有数据输出（MOSI）功能；22管脚SLP具有数据输入（MISO）功能。而当该芯片工作在异步串口模式时必须使23管脚SDA悬空，此时5管脚TXD为串行数据发送端，6管脚RXD为串行数据接收端，同时27引脚在低电平有效时该芯片才能发送接收数据；26管脚TNOW为串口发送数据正在进行的状态指示功能，高电平有效，在半双工串口方式下，该引脚可用于串口数据接收发送切换状态。在以上两种工作模式中，10引脚UD+和11引脚UD-与USB端口相对应接，13引脚XI、14引脚XO分别接晶振和振荡电容，9引脚V3为直流电源电压选择端，电源电压为5 V时，该引脚需要接一个0.47μF的极性电容和0.1μF、0.01μF的电容接地。其它信号线引脚根据电路功能需要选用，不需要时都可以悬空。

3.4 AT89S52核心控制电路设计

如图6所示，采用AT89S52与两个74HC573锁存器传输信息使用，AT89S52具有低功耗、高性能、8K字节的Flash及32位I/O口线、全双工串行通信口等优点。其中U10锁存该转换电路主要是为解决当前计算机串行通讯接口只有USB，难以满足旧型号设备或某些单片机要求RS232通讯的问题，故采用CH341A与MAX223集成电路芯片构建标准9线RS232/USB通用接口转换器，该转换器功耗很小，由USB端口提供电源，并且在上位机驱动程序的控制下无需二次编程开发即可使用[6]，RS232/USB转换器通讯测试如图5所示。器做位选功能，U9锁存器做段选功能，这样就可以有效扩展AT89S52单片机P2的I/O端口，使程序控制信息与脉冲数据信息在传输过程中能够非常有效的控制，这为多路脉冲数据的采集提供了重要的基础。

图5 RS232/USB转换器通讯测试图Fig.5 RS232/USB converter communication testchart

图6 AT89S52核心控制电路Fig.6 The AT89S52 core control circuit

4 结论

此脉冲数据采集系统的设计能很好地解决位移变化非常缓慢但又不便用仪器测量的装置，可以将缓慢变化的位移量通过脉冲数据来显示，这就给电机的精确进给量提供了有效的依据，可以通过编程上位机程序来进行自动进给量，也可以通过手动单个脉冲的进给，这将非常有效地提高测量精度和加工精度。

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