基于A(yíng)Ttiny13的模擬量隔離采集

　　1 概 述

　　在工控應用中，模擬信號采集通常需要采用隔離技術(shù)，以避免大型電氣設備啟合或切換過(guò)程中造成的電源和地線(xiàn)波動(dòng)影響弱電控制系統。常見(jiàn)的模擬量隔離方法主要有隔離放大器、電磁隔離和光電隔離3種方式。隔離放大器，精度很好，但成本高；電磁隔離，設備體積較大，精度較差。

　　光電隔離技術(shù)是一種非常有效的抗干擾手段。光耦作為常見(jiàn)的光電隔離器件，主要用于數字量隔離傳輸。如果使用光耦傳輸模擬量，那么要求光耦的非線(xiàn)性度非常小，以保證輸入的模擬信號的線(xiàn)性，絕大部分的光耦都很難達到。為了實(shí)現對模擬量的光電隔離采集，必須先進(jìn)行模／數(A／D)轉換，才能將轉換后的數字量經(jīng)由光耦傳遞給下一級電路。

　　傳統方法，直接使用A／D芯片進(jìn)行模／數轉換，然后經(jīng)光耦傳輸。按接口形式，A／D芯片可分并行和串行訪(fǎng)問(wèn)2種方式。并行A／D芯片采集精度越高，并行數據線(xiàn)占用的光耦數目越多，而且需要配以控制A／D轉換操作相應的隔離信號，這種方式接線(xiàn)多，占用資源也多；串行A／D芯片可以節省不少光耦，但需要復雜的時(shí)序才能完成對A／D的讀寫(xiě)操作。

　　本文提出一種使用集成A／D的微型單片機AT-tiny13進(jìn)行模擬量隔離采集，使用單根數據線(xiàn)完成數據傳輸。模擬量隔離采集采用了簡(jiǎn)化的UART通信方式，即單工通信方式，只需要發(fā)送線(xiàn)TXD，無(wú)需接收線(xiàn)RXD。這樣，單根數據線(xiàn)就能承擔發(fā)送A／D轉換值任務(wù)，接收方只要具備硬件UART或軟件UART(接收)，就可以輕松獲取隔離模擬量值。

　　2 ATtiny13簡(jiǎn)介

　　ATtiny13具有1 KB Flash，64字節EEPROM，64字節SRAM，6個(gè)通用I／O口線(xiàn)，32個(gè)通用工作寄存器，1個(gè)具有比較模式的8位定時(shí)器／計數器，片內／外中斷，以及4路10位ADC。

　　3 硬件設計

　　模擬量隔離采集電路如圖1所示。ATtiny13有2路10位ADC可控選擇，本設計中只使用了1路ADC。光耦PC817用于傳輸A／D轉換值。CLKI代表從外部引入的時(shí)鐘源。

　　4 軟件UART

　　ATtiny13內部沒(méi)有集成UART功能。為了彌補這一缺陷，可以使用軟件控制I／O引腳模擬UART功能，按照設定的采集速率將A／D轉換值經(jīng)光耦隔離輸出。

　　4．1 異步串行協(xié)議

　　采用UART異步串行協(xié)議通信時(shí)，數據按順序逐位輸出。接收方通過(guò)監測起始位(低電平有效)和停止位(高電平有效)來(lái)判斷一幀信息的起始與結束。數據幀中還可包括若干數據位和奇偶校驗位。異步串行協(xié)議的起始位與停止位必須使用，其余各位可調整位長(cháng)度。異步串行協(xié)議格式如下：

　　本文定義幀格式為：起始位(1位)，數據位(5位)，無(wú)奇偶校驗位，停止位(1位)。ATtiny13自帶精度為10位的A／D轉換器，而數據位設定為5位寬度，所以需要連續發(fā)送2次異步串行通信幀，才能將一次A／D轉換值傳送完整。按照高位先出的方法，前1次發(fā)送A／D轉換值的高5位，后1次發(fā)送低5位。

　　4．2 波特率設置

　　波特率是UART異步串行通信中非常重要的參數。通信雙方必須以約定好的速率通信，才能保證通信成功。波特率與異步串行協(xié)議中“位”所占用的時(shí)間密切相關(guān)。對于二進(jìn)制信號，數據幀中每一位的占用時(shí)間就是波特率的倒數。因此，如何精確確定每一位的時(shí)間寬度，成為確保串口通信成功的關(guān)鍵因素。

　　ATtiny13沒(méi)有集成UART，但內部含有一個(gè)8位定時(shí)器／計數器，可利用軟件控制該定時(shí)器產(chǎn)生波特率。MCU自帶的RC振蕩器可以作為時(shí)鐘源，但是振蕩頻率存在最大±10％的誤差，并且受溫度影響較大。這樣會(huì )造成波特率不穩，通信時(shí)可能出現接收不到數據，或者丟數據位、出現亂碼和錯碼的情況。ATtiny13從外部引入了7．372 8 MHz有源晶振時(shí)鐘信號，從而保證了主時(shí)鐘頻率的穩定性。

　　異步通信波特率可按式(1)計算。

　　式中：XTAL為引入的主時(shí)鐘頻率；Baud為需設置的波特率；C為定時(shí)器時(shí)鐘分頻系數；n為8位定時(shí)器／計數器的預加載比較值。定時(shí)器／計數器工作在CTC模式(比較匹配時(shí)清零定時(shí)器)。

　　XTAL即7．372 8 MHz，Baud設定為9 600，定時(shí)器時(shí)鐘信號為主時(shí)鐘4分頻(即C=4)，可得n=192。據此，8位定時(shí)器／計數器從0計到192時(shí)，產(chǎn)生比較中斷，軟件控制發(fā)送新的一位信息。

　　4．3 數據發(fā)送

　　UART異步串行協(xié)議規定了在沒(méi)有數據幀發(fā)送時(shí)，通過(guò)邏輯“1”表示目前處于閑置狀態(tài)。如果有數據需要發(fā)送，首先將發(fā)送線(xiàn)TXD拉低成邏輯“0”，并保持一個(gè)基本時(shí)間單位；之后根據待發(fā)送數據的二進(jìn)制數值，依次逐位輸出。本設計中未使用奇偶校驗位，相關(guān)處理略去。5位數據發(fā)送完畢后，緊接著(zhù)將TXD拉高為邏輯“1”，表示該幀結束。軟件UART發(fā)送流程如圖2所示。

　　函數Uart_SendByte(unsigned char data)實(shí)現了上述功能，一次發(fā)送5位數據。在模擬量隔離采集中，單片機不斷地獲取A／D轉換值，并通過(guò)調用上述函數發(fā)送出去。

　　結 語(yǔ)

　　本文介紹一種基于A(yíng)Ttiny13的模擬量隔離采集電路，受ADC最大采樣速率及光耦PC817傳輸帶寬的限制，只適用于頻率變換緩慢的模擬信號。該電路體積小、成本低、接線(xiàn)簡(jiǎn)單，已用于開(kāi)關(guān)電源成品檢測。