基于SPI總線(xiàn)的多路數據采集系統的設計

摘要：文中采用高精度AD芯片AD7891與C8051F040單片機組成高速數據采集系統，通過(guò)SPI總線(xiàn)，將AD7891與C8051F040直接連接，方便的實(shí)現了8路模擬量的高速采集和傳輸，并給出了SPI總線(xiàn)的接口電路及軟件設計。
關(guān)鍵詞：高精度；單片機；SPI；高速采集

隨著(zhù)微處理器的發(fā)展及其在各領(lǐng)域的廣泛應用，人們對電子測量技術(shù)和電子儀器系統提出越來(lái)越高的要求，對測試速度和精確度的要求也與日俱增。測試系統主要包括對實(shí)時(shí)數據的高速采集、現場(chǎng)顯示和分析處理3部分，其中最重要的一環(huán)就是實(shí)時(shí)數據高速采集，因為它關(guān)系到能否真實(shí)反映被測對象的狀態(tài)和性能。根據實(shí)際項目需要，文中基于80C51F040單片機的SPI總線(xiàn)和AD7891芯片，設計實(shí)現了多路數據的高速采集。文中給出了系統的主要硬件電路和對時(shí)序控制的軟件編程。

1 系統的硬件實(shí)現
本數據采集系統功能是能對多路電壓和電流進(jìn)行高速采集和分析處理，其要求精度高，線(xiàn)性度好，采集電壓要求以1 mV為單位，模擬信號輸入范圍為-10～+10 V。系統處理芯片采用Silicon Laboratories公司出品的C8051F040單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內核，該系列單片機采用流水線(xiàn)處理(pipeline)技術(shù)不再區分時(shí)鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高指令執行效率。而且大部分C8051F040單片機具備控制系統所需要的模擬和數字外設，包括看門(mén)狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時(shí)器、PWM、定時(shí)器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線(xiàn)接口，包括UART、SPI、SMBUS(與IC兼容)總線(xiàn)以及CAN總線(xiàn)。 C8051F系類(lèi)單片機采用Flash ROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線(xiàn)編程。C8051F系列單片機諸多特點(diǎn)和優(yōu)越性，使其廣受單片機系統設計工程師青昧，成為很多測控系統設計的首選機型。雖然C8051F040內部提供A／D轉換器，但在實(shí)時(shí)高速采集中易受干擾，性噪比比較低，A／D轉換速度不能滿(mǎn)足高速數據采集系統的要求，為了滿(mǎn)足系統的指標、提高數據的精確性采樣和系統的抗干擾能力，本數據采集系統根據實(shí)際情況采用外擴的A／D轉換芯片。
本數據采集系統采用的A／D芯片是美國ADI公司推出的一種AD7891 12位數據采集系統(DAS)，它具有并行和串行兩種工作模式，適合各種微處理器、控制器以及數字信號處理機接口。AD7891內含有多路轉換器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2．5 V基準電壓源和高速接口電路，并有8個(gè)具有過(guò)壓保護的模擬信號通道，AD7891-1可承受的過(guò)壓為±17 V。AD7891的模數轉換時(shí)間是1．6μs，采樣時(shí)間為1．4μs。當只對一個(gè)通道信號采樣時(shí)，采樣率為500 kSPS；當對8個(gè)通道信號逐個(gè)采樣時(shí)，采樣率為62．5 kSPS，AD7891-1使用硬件或軟件方法控制轉換開(kāi)始得數據采樣時(shí)間分別為0．6μs和0．7μs，相應的數據采集率分別為454．5 kSPS和435 kSPS。AD7891采用單電源工作，功耗低，可選擇輸入信號的范圍，也可并行或串行工作，非常適合用于數據采集系統、電機控制、移動(dòng)通信系統和測試設備等方面的應用。AD7891管腳功能說(shuō)明如表1所示。