基于单片机的电路信息实时采集系统设计

张海蓉　冀慎统　郭红安

摘 要： 为了提高电路信息实时采集的稳定性和可靠性，提出基于STC89C52单片机的电路信息实时采集系统设计方法。构造电路信息实时采集系统的总体结构模型，系统分为继电器模块、单片机控制模块、A/D采样电路模块、输出接口模块等。采用UART循环堆栈控制方法进行信号采样值幅度调整，对采集的实时信号通过放大滤波器输出至A/D转换器，采用单片机进行压控放大控制，输出高、低电压至继电器，实现实时采集信号的存储和放大输出。测试结果表明，信息实时采集系统具有较高的信号输出放大增益，信号输出的收敛性较好。

关键词： STC89C52； 电路信息采集； 信号存储； 信号输出； 系统设计

中图分类号： TN431.1?34； TN710 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0085?03

Abstract： In order to improve the stability and reliability of circuit information real?time acquisition， a design method of real?time circuit information acquisition system based on STC89C52 microcontroller is proposed. The overall structure model of real?time acquisition system for circuit information was built. The system is divided into four primary parts： relay module， MCU control module， A/D sampling circuit module and output interface module. UART cycle stack control method is adopted to adjust the signal sampling value， and output the acquired real?time signal to A/D converter through amplifying filter. The single?chip microcomputer is adopted to execute voltage control and amplification control， and output high voltage and low voltage to the relay to realize storage， amplification and output of the real?time acquired signal. The test results show that the real?time information acquisition system has high signal output amplification gain and perfect signal output convergence.

Keywords： STC89C52； circuit information acquisition； signal storage； signal output； system design

0 引 言

信号广泛存在于人们的生活中，常见的信号有振动信号、声信号、电信号、电磁波信号、雷达信号等，需要对这些信号进行实时采集和信息处理，结合信号放大滤波、信号调制解调设计，在信号采集系统中得到有用信息[1]。信号与信息采集在目标识别、故障诊断、模式识别和状态监测等领域具有广泛的应用价值。为了提高信號与信息采集的实时性，本文利用单片机的集成控制功能进行信息采集系统优化设计，结合电路集成设计方案，实现基于单片机的电路信息采集系统优化设计。

1 系统设计总体结构

为了实现基于单片机的电路信息实时采集系统优化设计，首先进行系统的总体设计构造。在信号与信息实时采集系统设计中，数据采集和A/D转换是基于单片机的信号与信息实时采集系统的核心[2]。在主程序中设计定时器T0和T1，采用T0中断服务程序进行信号的实时采集和串口通信设计，在LabWindows/CVI环境下进行单片机的程序编译和信息加载[3]。系统分为继电器模块、单片机控制模块、A/D采样电路模块、输出接口模块等。利用5409A集成智能DSP芯片进行信号集成处理，对PCI总线进行电路实时信息采样，在信号预处理机完成信号的放大、滤波后，在人机交互模块接收PCI总线传递的用户信息，实现对信号频谱分析和开关控制；输出单片机的控制频率以及D/A，完成采样率、采样通道数等参数设计；在继电器模块中完成电平或输出动态增益控制。根据上述设计原理，得到基于单片机的电路信息实时采集系统总体结构如图1所示。

2 硬件电路设计部分

2.1 电路结构分析

硬件电路设计是本系统设计的核心。采用集成模块化设计方法进行信息实时采集系统的硬件电路设计；采用STC89C52单片机控制D/A转换器，对采集的实时信号进行FIR滤波，对输入到通信模块中的信号进行数/模转换。在休眠控制状态下，通过输出动态增益控制码到存储接口，对采集的实时信号进行数据转换；在信号采集的存储模块中利用压控放大器进行功率放大控制[4]。根据上述分析，设计信号与信息采集系统的电路模块化分布如图2所示。

2.2 电路核心器件选择

本文设计的信号与信息采集系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，用MUX101程控电路进行干扰复位或掉电后复位设计[5]。结合信号采集系统的设计要求，给出设计技术指标：低通滤波器截止频率范围为10～20 Hz，数据采集放大量为40 dB，输出信号幅度为12 V；宽带基阵阻抗匹配动态增益范围为20～24 dB，信息采集IDE通道为12通道同步、异步输入；模拟信号的采样率[≥]30 kHz；外部存储器的信息存储容量[≥]200 GB；D/A分辨率为12位（至少）；收发转换速率[≥100 kHz]；PCI总线输出有3个多通道缓冲串口McBSPs。endprint

根据上述设计技术指标，本系统选择核心器件采用工业标准Codec作为串行A/D、D/A 设备，构造三缓存的接收寄存器，通过（R/X）DATDLY设置中断电路和复位电路，在信息传输通道提供全双工通信机制[6]。用串口PHASE设置信息接收单元，在（R/X）PHASE中设置外部数据存储器初始值。用IDT公司IDT70V28作为复位电路控制芯片，使得电路信息实时采集系统支持3.3 V供电电压，高运行速度可以达15～20 ns。

2.3 电路设计实现

采用低功耗的STC89C52单片机进行电路的模块化设计，分别对系统的继电器模块、单片机控制模块、A/D采样电路模块、输出接口模块详细设计描述如下：

系统选用了MBM29LV400BC作为继电器模块的空间寻址芯片，采用双端口RAM进行采集信号的放大滤波和调制设计，输入到FLASH片选芯片中，通过CPLD完成输入控制和信号的读、写操作。在信号采集系统的输入端，系统的输入信号为[U1Ai]，则此时负载仅为G，那么工作中心频率f0处电路输出电压和电流幅值关系为：

本文设计[A1=]125，实测[A1=]103。根据上述分析，进行电路信息实时采集系统的继电器模块与单片机控制模块的接口设计。采用Mux101多路数据转换器进行电压放大[7]，放大分贝数由它的控制电压决定为[Vgain=10-2（Vc+1）]。采用晶振频率放大电路进行系统复位，当计数器的值为0～[M1]时，模拟输入是[±]10 V时，采样序列转换的满幅值为20 V。在单片机控制模块中，LSB为[FSR4 096=]4.883 mV，VDD（6脚）为正电源输入端，模拟输入AGND+[32]LSB，DSP数据线通过FB（10脚） 输入到信息采集系统的中央放大器处理单元，输出范围0～4.095 V，A4～A0和[IOSTRB]译码输入数据[D0～D5]，完成数据的寄存和缓存功能。电源芯片采用TPS767D301，在输出接口单元[D0～D5]（3，2，1，18，17，16）控制低通滤波器截止频率的码字，避免外部电源带来的电磁干扰。在系统时钟 fclk 的控制下，A/D采样电路模块采样频率[8]设定为[fcp]= 3.595 kHz时，通过内建JTAG接口完成采集信号存储和放大输出。

3 电路测试分析

在完成了信息实时采集系统的硬件电路设计的基础上，对采集的实时信号通过放大滤波器输出至A/D转换器，进行采集信号分析，并在WIN32系统中进行系统调试分析，用API函数的CreateFile（ ）单片机控制函数打开电路信号写入功能，在片外I/O外设选通脉冲，得系统采集输出信号波形如图3所示。

分析图3得知，本文设计的电路系统采集的信号具有较高的信号输出放大增益，输出信号稳定性和收敛性较好，信号采样的实时性较好，抗干扰能力强。

4 结 语

本文提出基于STC89C52单片机的电路信息实时采集系统设计方法，并进行了電路测试。电路测试结果表明，本文设计的电路信息实时采集系统，具有较高的信号输出放大增益，信号输出性能较好。

注：本文通讯作者为冀慎统。

参考文献

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