基于MAX114的高速数据采集系统设计

1 引言

数据采集技术是信息科学的一个很重要的分支，它研究信息数据的转换，采集、存储、处理以及显示等作业，在信号处理、智能仪器以及工业自动控制等领域起到巨大的作用。如工业生产过程中常常需要对湿度、温度、压力、流量等各种工艺参数随时进行检测和监控，同时还要将检测到的数据及时传递给上位机，以实现对于参数的随机查询，对信息的存储与处理，及时调整控制方案，提高生产效率和产品质量。

但是，在许多其他领域如：雷达通信，地理信息，图像传输，军工及医疗化工，为了捕捉，采集，存储，处理，传输和再现瞬间变化的模拟信号（类似脉冲信号），则对数据采集速度及效率提出了更高的要求。本文应用单片机89C51作为主控制来实现模拟信号的高速采集、存储及再现。应用中，单片机只对信号进行中转不对数据进行处理，采集的数字信号传给DA转换器后，由DA转换器将信号还原成模拟信号。  

2硬件组成

设计的方案主要用于瞬间信号的采集，要求选用的A/D转换芯片转换速度比较快，经过考虑选用MAX114。89C51单片机的指令执行时间（us级）与AD转换芯片的转换时间往往不同步^[1]，因此在单片机与AD转换器间加入高速缓存IDT72041，用高速缓存来连接单片机与AD转换器。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图

实际应用中，须将瞬间的连续的模拟信号转换成便于存储与分析的数字信号。在这个过程中应尽量避免模拟信号的失真，这就与AD转换芯片的转换精度与转换速度有极大的关联。在模拟信号的频率很高时，AD芯片的转换速度就显得尤其重要。MAX114芯片对输入的模拟电压有一定的要求，必须对输入的模拟电压进行放大以满足AD转换芯片的要求^[2]。MAX114的前置放大电路如图2：

                  图2  放大与滤波电路

高通滤波只允许一定频率的信号通过，清除杂波的影响。MAX114的引脚REF+,REF-所接旁路电容消除干扰。MAX114为四通道的A/D芯片，而我们只需要一个通道转换数据，因此A1,A2必须接数字“0”。根据需要选择模式“0”状态来转换数据，引脚“5”MODE也必须接数字“0”。其真值表如表1所示： www.51kaifa.com

表1 MAX114真值表

AD转换芯片MAX114将转换出来的数字信号传送给高速缓存IDT72041。MAX114的工作时钟由内部时钟电路提供的时钟脉冲，缓存写控制信号也是由该芯片的 “INT”来控制，在AD芯片转换完毕后，“INT”产生一个低电平，这一低电平被传送给缓存芯片，数据即被写入缓存中并按照先入先出的规则进行保存。只有当缓存引脚（FF）为高电平，(EF)为低电平时，AD转换出来的数据才能被写入^[3]。

IDT72XX系列是IDT公司推出的先进先出（FIFO）存储器芯片，它具有双口输入输出，采集传输速度快和先进先出的特点，能满足高速数据传输的要求^[4]。

     高速缓存IDT72041有这样一个特点：当缓存芯片被写满后，缓存芯片就不再接受外来的写信号，同时缓存IDT72041的满位FF变为低，同时会触发单片机的外部中断。单片机接收到中断信号后运行片选程序，第二块缓存开始读入A/D转换数据。以此类推，当所有的缓存芯片中的数据被全部写满后，单片机经运用程序传输缓存中的数据再进行处理。缓存中数据全部处理完后重新启动A/D转换，开始数据的采集。

为了保证数据采集的连续性和采集足够的数据，必须有较大的存储空间来存放数据，为此，本系统中将IDT72041芯片扩展了8片^[5]。扩展中的第一个芯片用FL/RT端接地来表示，其它芯片的FL/RT端接高电平。且每个芯片的“XO”端必须接到下个芯片的“XI”端。并将每个芯片的 “EF”标志相“或”以构成新的空标志，每个芯片的“FF”端也相“或”在一起构成新的满标志。RT和HF在字深的扩展中不起作用。这里采用的方式是将8 块芯片的“ FF”端分别接在单片机的P2口，由单片机来控制写满。

在设计中，当IDT缓存芯片4K的存储空间被写满，缓存的引脚“FF”为低，MAX114转换的数据不能再写入。同时FF向89C51发出中断请求，单片机接收到中断信号后，用P0口来实现与缓存芯片的数据传送，然后由单片机对存储于IDT72041中的数据进行初步处理。经单片机P3.6口（WR）的片选，再将处理过的数据传给DAC0832^[6]。

在硬件电路中，单片机控制IDT72041和DAC0832，MAX114开始采样时，要用到IDT72041中的D0～D7数据线、写控制端口 WR；当数据采样结束，即数据已经存储到IDT72041中，单片机就要从IDT72041中读取数据，要用到Q0～Q7线，读控制端口。在实际的运用中，通过QE脚和/DIR脚置不同的电平来解决信号串扰的问题。通过置QE脚不同的电平可以实现三态的功能，同时由/DIR脚来确定信号传输的方向。

3系统软件

3.1程序功能www.51kaifa.com

此程序的功能是实现AD芯片MAX114、缓存IDT72041之间的通信以及采样频率的控制，各功能分别用进程完成^[6]。程序主体分为五个部分：单片机初始化及对外围器件的设置、对缓存的全满标志位判断以及该条指令的循环、对缓存的片选以及将缓存的数据传给单片机寄存器A、对DAC的片选以及将暂存器的数据传给DAC、判断缓存是否为空以及跳转。

3.2程序各部分的实现

第一部分是单片机的初始化及对外围器件，主要是对IDT72041的设置，开始是对89C51的P0、P1和P2口所有的端口置1，接下来是P1.1清“0”，实现IDT72041的复位，对P1.1清“0”，实现对MAX114进行片选，指令如下：

START：SETB   P0

       SETB   P1

       SETB   P2

CLR   P1.0

       CLR   P1.1

第二部分主要是判断缓存是否被写满。输入的模拟信号进入该系统，由放大电路先进行放大、整流，进入A/D（MAX114）进行转换，由于A/D芯片的INT脚在每转换结束一次将产生一个低电平，此低电平驱动缓存（IDT72041）进行写入数据，由于使用8片缓存，所以会出现数据先被写入哪个缓存的问题，为了提高单片机处理效率，在硬件上将前一个芯片的XO端接下一个芯片的XI端，逻辑“1” 芯片的FL/RT接地，其它芯片的FL/RT接高电平，这样就可以实现将8个缓存芯片组成一个存储整体，这样数据将从第一个芯片一直写到最后一个芯片，8 个缓存的写满端“FF”被接在单片节的P2口，用来判断每个缓存是否被写满。在硬件连接上，将8个缓存已经组成了一个整体存储体，所以在软件方面，只需判断P2.7是否为“0”来确定缓存是否被写满^[7]，即：

ST：JNB   P2.7, ST

第三部分判断缓存是否写满，如果写满就中止A/D转换，已被转换的数据将全部被存储到缓存中，指令如下：www.51kaifa.com

SETB   P1.1

第四部分对DAC的片选以及将暂存器的数据传给DAC。将首地址存入DPTR数据指针寄存器，从缓存中顺序读取数据并存入外部RAM，经由单片机初步处理后传送到DAC。指令如下：

MCADTS：MOV   DPTR, # 7000H  

              CLR    P2.6           

      MOVX  A,@DPTR      

MOV   DPTR, #5000H    

              CLR    P2.0            

      MOVX  @DPTR,A       

第五部分判断缓存是否为空，如果不为空将继续读取数据，否则程序跳转到初始位置，重复上述过程，实现对数据的不断采集及还原。指令如下：

SA：   JNB    INT1, MCADTS  

SJMP   START

结语：

    本文作者创新点为：

 本系统运用简单的MCS-51单片机来实现复杂的数据采集与还原电路。在操作过程中，将该应用系统按其功能分成各个模块，对电路进行焊接以及调试，并进行仿真测试。该系统设计方案电路简单，可靠性好，实现了高速数据采集的目的。

参考文献:

【1】       张振荣等，MCS-51单片机原理及实用技术[M]，人民邮电出版社，1997.5

【2】       MAXIM.MAX114-MAX118[DB/OL]./upload/eWebUpload/200805/2008051509462072.pdf

【3】       李大庆, 段建民, 綦慧, 江存胜. 高速数据采集处理系统的设计和实现[J]. 微计算机信息 , 2006(20)

【4】       Integrated Device Technology. CMOS ASYNCHRONOUS FIFO WITH RETRANSMIT [DB/OL], www.idt.com, 1996(12)

【5】       陈国良,黄心汉. 一种数据采集与融合系统结构及其实例[J], 高技术通讯,2005(07)www.51kaifa.com

【6】       王力,赵庆玲. 基于AT89S51和USB接口的实时数据采集系统设计[J]电子工程师 , 2006,(11) .

【7】       林焯华,蒋梁中,姚锡凡,王春宝.一个单片机串行数据采集及传输模块的设计[J]，微计算机信息，2006（29）