基于C8051F061的高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

C8051F系列單片機(jī)是美國(guó)Silabs公司生產(chǎn)的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC），它具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51指令集完全兼容，并可使用標(biāo)準(zhǔn)803×805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)^[1]。C8051F061片內(nèi)除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051數(shù)字外設(shè)之外，還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和數(shù)字外設(shè)或功能部件。這些外設(shè)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(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗和時(shí)鐘振蕩器等。

本文討論的采集系統(tǒng)應(yīng)用于10路傳感器信號(hào)的采集，測(cè)試中各路信號(hào)的最高采樣頻率可達(dá)到48.25kHz，并且可通過(guò)軟件調(diào)節(jié)。

2 采集系統(tǒng)的硬件

2.1 濾波模塊的硬件設(shè)計(jì)

由于所采集的信號(hào)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(xiàn)有外時(shí)鐘和內(nèi)時(shí)鐘兩種方式，內(nèi)時(shí)鐘方式電路簡(jiǎn)單，使用方便，所以筆者采用內(nèi)時(shí)鐘方式^[2]。

根據(jù)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(nèi)時(shí)鐘。筆者根據(jù)自己的實(shí)際需要，將 取63pF,此時(shí)時(shí)鐘頻率為0.529MHz,轉(zhuǎn)折頻率為5.29kHz。

另外，考慮到本系統(tǒng)是多路采集系統(tǒng)，為保持相位一致性，選用同一個(gè)電容來(lái)提供內(nèi)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(shè)計(jì)

供電電壓的性能對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)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(biāo)是采樣精度和有效位，設(shè)采樣精度為 ，有效位為 N，基準(zhǔn)電壓為 ，基準(zhǔn)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(tǒng)的采樣精度取決于基準(zhǔn)電壓的噪聲電壓大小，C8051F061提供的內(nèi)基準(zhǔn)噪聲電壓和器件模擬供電部分的噪聲電壓基本相當(dāng)，所以應(yīng)當(dāng)保證 。另外，在C8051F061的外圍電路設(shè)計(jì)中，考慮選取獨(dú)立的電源芯片單獨(dú)供電，同時(shí)在布局和走線上注意一些基本規(guī)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(zhǔn)芯片難以滿足要求，最后模擬供電部分采用了TI公司的脈寬可調(diào)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(nèi)；噪聲低，且抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜電磁環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，其輸出噪聲電壓低于 ^[4]。

圖2 TPS54310PWP的設(shè)計(jì)原理圖

2.3 多路選擇和采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 多路選擇芯片ADG706的介紹

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

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)軟件設(shè)置A3A2A1A0為10進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，依次選擇10路模擬輸入信號(hào)。

2.3.2 ADG706和C8051F061的接口設(shè)計(jì)

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

具有M 路模擬輸入信號(hào)的采集系統(tǒng)最高采樣頻率 可由以下公式來(lái)計(jì)算：

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

在實(shí)際的數(shù)據(jù)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(jī)的ADC采樣速率都是可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變的，設(shè)置C8051F061內(nèi)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(fù)位值為1111（位7~3=SYSCLK/CLKSAR-1）。需要注意的是在軟件編程設(shè)置ADC時(shí)至少需要16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，一般在設(shè)置程序前加上3個(gè)系統(tǒng)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，即改變一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)選擇的模擬信號(hào)輸入路數(shù)。

為了保證采樣精度，以下幾點(diǎn)需要注意：

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

⑵ 模擬地和數(shù)字地要區(qū)分。本系統(tǒng)既有模擬地，又有數(shù)字地，所以需要對(duì)它們正確進(jìn)行區(qū)分，PCB布線時(shí)，需要注意模擬部分和數(shù)字部分要分開(kāi)，多層板設(shè)計(jì)中采用電源平面和地平面分割的方法。

⑶ 使用內(nèi)部參考時(shí)，內(nèi)部參考電壓的走線要盡可能短，以減少其它信號(hào)對(duì)它的干擾。從減少信號(hào)干擾的角度看，內(nèi)部參考電壓最好接104和106并聯(lián)構(gòu)成的電容。

⑷ 在PCB板布線中，由于AD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(jié)語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是從工程應(yīng)用的角度闡述典型的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并恰當(dāng)?shù)剡x用該領(lǐng)域的合適器件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能、小體積和低功耗。因此，本文所述的方法具有很強(qiáng)的典型性。根據(jù)本文所述方法設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中獲得應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，采集效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] MAXIM公司. MAX291數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z]. 美國(guó)：MAXIM公司，1996

[3] 喻小虎，徐欣，黃勇杰. 高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用. 機(jī)電車傳動(dòng)[J]. 2005.11

[4] TI公司. TPS54310PWP數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z]. 美國(guó)：TI公司，2002

[5] Analog Device公司. ADG706數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z]. 美國(guó)：Analog Device公司，2002