基于C8051F061的高速采集系統設計

1 引言

C8051F系列單片機是美國Silabs公司生產(chǎn)的系統級芯片（SOC），它具有與8051兼容的高速CIP-51內核，指令系統與MCS-51指令集完全兼容，并可使用標準803×805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)^[1]。C8051F061片內除了具有標準8051數字外設之外，還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和數字外設或功能部件。這些外設或功能部件包括256Byte的SRAM、4K的DRAM、64K的FLASH、2個(gè)16位ADC、1個(gè)10位ADC、2個(gè)12位DAC、3個(gè)模擬輸入電壓比較器、溫度傳感器、SMBUS、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計數器、定時(shí)器陣列、數字I/O端口、電源監視器、看門(mén)狗和時(shí)鐘振蕩器等。

本文討論的采集系統應用于10路傳感器信號的采集，測試中各路信號的最高采樣頻率可達到48.25kHz，并且可通過(guò)軟件調節。

2 采集系統的硬件

2.1 濾波模塊的硬件設計

由于所采集的信號頻率在5kHz以下，為了減少噪聲，采用了MAX291進(jìn)行硬件濾波。具體的連接如下圖1所示。MAX291的濾波實(shí)現有外時(shí)鐘和內時(shí)鐘兩種方式，內時(shí)鐘方式電路簡(jiǎn)單，使用方便，所以筆者采用內時(shí)鐘方式^[2]。

根據MAX291的工作原理，其濾波的頻率取值可由下面的公式確定：

其中 為MAX291的時(shí)鐘頻率，電容 給MAX291提供內時(shí)鐘。筆者根據自己的實(shí)際需要，將 取63pF,此時(shí)時(shí)鐘頻率為0.529MHz,轉折頻率為5.29kHz。

另外，考慮到本系統是多路采集系統，為保持相位一致性，選用同一個(gè)電容來(lái)提供內時(shí)鐘，以確保這幾路濾波器同時(shí)使用一個(gè)外部時(shí)鐘源。

圖1 MAX291的濾波原理圖

2.2 C8051F061的供電電源設計

供電電壓的性能對整個(gè)采集系統的精度具有重要的意義。一般說(shuō)來(lái)，描述采集質(zhì)量高低的指標是采樣精度和有效位，設采樣精度為 ，有效位為 N，基準電壓為 ，基準電壓噪聲電壓為 ，則有以下公式：

為了盡可能的提高采樣精度，選取 ，則 。由于系統的采樣精度取決于基準電壓的噪聲電壓大小，C8051F061提供的內基準噪聲電壓和器件模擬供電部分的噪聲電壓基本相當，所以應當保證 。另外，在C8051F061的外圍電路設計中，考慮選取獨立的電源芯片單獨供電，同時(shí)在布局和走線(xiàn)上注意一些基本規則，確保獲得較高的采樣精度^[3]。

考慮到C8051F061的功耗比較大，一般的電壓基準芯片難以滿(mǎn)足要求，最后模擬供電部分采用了TI公司的脈寬可調芯片TPS54310PWP，該芯片的優(yōu)點(diǎn)是輸出電流大，超過(guò)3A的輸出電流；輸出電壓精度高，其誤差在1%的范圍之內；噪聲低，且抗干擾能力強，在復雜電磁環(huán)境下進(jìn)行測量，其輸出噪聲電壓低于 ^[4]。

圖2 TPS54310PWP的設計原理圖

2.3 多路選擇和采集模塊的硬件設計

2.3.1 多路選擇芯片ADG706的介紹

ADG706是美國Analog Device 公司生產(chǎn)的16路模擬輸入信號選擇芯片，其信號選擇管腳為A0、A1、A2、A3，通過(guò)A3A2A1A0組成不同的數字組合，可以選通16路模擬輸入中的其中1路^[5]。

在本系統的設計中，通過(guò)軟件設置A3A2A1A0為10進(jìn)制的加法計數器，在一個(gè)計數周期內，依次選擇10路模擬輸入信號。

2.3.2 ADG706和C8051F061的接口設計

采集模塊的設計思想是：通過(guò)C8051F061通用P1口的高4位控制ADG706的信號選擇管腳A3A2A1A0，依次選擇1路模擬輸入作為C8051F061單片機1個(gè)16位ADC的輸入信號。

具有M 路模擬輸入信號的采集系統最高采樣頻率 可由以下公式來(lái)計算：

其中 為C8051F061單片機ADC的采樣速率， 為各路模擬輸入信號的最高采樣速率。

在實(shí)際的數據采集中， 可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)改變：

⑴ 軟件編程改變 。C8051F系列單片機的ADC采樣速率都是可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變的，設置C8051F061內ADC采樣速率的方法是通過(guò)配置寄存器ADCxCF（x為0或1）的位7~3來(lái)進(jìn)行的，其復位值為1111（位7~3=SYSCLK/CLKSAR-1）。需要注意的是在軟件編程設置ADC時(shí)至少需要16個(gè)系統時(shí)鐘，一般在設置程序前加上3個(gè)系統時(shí)鐘，保證跟蹤/保持捕獲時(shí)間 。

⑵ 軟件編程改變 。改變 其實(shí)就是改變ADG706的A3A2A1A0所組成計數器的計數值，即改變一個(gè)計數周期內選擇的模擬信號輸入路數。

為了保證采樣精度，以下幾點(diǎn)需要注意：

⑴ 模擬電壓和數字電壓的區分和連接。由于C8051F061是3.3V供電，所以除了傳感器的基準電壓AVDD需接5V外，其余的數字電壓BVDD需要接3.3V。

⑵ 模擬地和數字地要區分。本系統既有模擬地，又有數字地，所以需要對它們正確進(jìn)行區分，PCB布線(xiàn)時(shí)，需要注意模擬部分和數字部分要分開(kāi)，多層板設計中采用電源平面和地平面分割的方法。

⑶ 使用內部參考時(shí)，內部參考電壓的走線(xiàn)要盡可能短，以減少其它信號對它的干擾。從減少信號干擾的角度看，內部參考電壓最好接104和106并聯(lián)構成的電容。

⑷ 在PCB板布線(xiàn)中，由于A(yíng)D采用的是精度較高的16位ADC，最好布四層板。

圖3 ADG706和C8051F061的接口電路圖

3 結語(yǔ)

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是從工程應用的角度闡述典型的多通道高速數據采集系統的實(shí)現，并恰當地選用該領(lǐng)域的合適器件來(lái)實(shí)現數據采集系統的高性能、小體積和低功耗。因此，本文所述的方法具有很強的典型性。根據本文所述方法設計的數據采集系統已經(jīng)在實(shí)際中獲得應用，運行穩定，采集效果良好。

參考文獻：

[1] 張春雷，王東興. uC/OS-II在C8051F020單片機上的移植. 微計算機信息[J]. 2006.2-2 P95-97

[2] MAXIM公司. MAX291數據手冊[Z]. 美國：MAXIM公司，1996

[3] 喻小虎，徐欣，黃勇杰. 高精度A/D轉換芯片ADS8364在數據采集系統中的應用. 機電車(chē)傳動(dòng)[J]. 2005.11

[4] TI公司. TPS54310PWP數據手冊[Z]. 美國：TI公司，2002

[5] Analog Device公司. ADG706數據手冊[Z]. 美國：Analog Device公司，2002