一种高速单片机数据采集处理系统设计

1  MAX1241介绍

    MAX1241是MAXIM公司推出的一种串行A/D转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等优点.MAX1241是一种单通道12位逐次逼近型串行A/D转换器，功耗低，转换速度快.
1.1  MAX1241功能特点
    （1）2.7～5.25 V单电源供电；
    （2）12位分辨率；
    （3）8脚DIP/SO封装；
    （4）低功耗：Pmax=3mW（73 KSPS），
    （5）内部提供采样/保持电路；
    （6）兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE 串行三线外设接口；
    （7）内部提供转换时钟.
1.2  芯片介绍及外围电路

    图 1所示是MAX1241最简单的外围配置电路。其中，1脚是电源输入端，电源电压范围为2.7～5.25V。2脚是模拟信号输入端，输入电压范围是 0V～VREF，1241可以在9μs内实现将输入信号转换为数字信号。3脚是关断控制输入端，利用其可实现1241两种工作模式的切换，将3脚外接低电平，1241工作于关断模式，输入电流可减少至10μA以下，处于节能状态；若外接高电平，1241是标准工作模式，可实现模数转换。管脚4是基准电压，需外接4.7μF的电容。5脚是接地端。管脚6是数据输出端，当其由0翻转为高电平时，表示数据转换完成，可以读数据了。7脚是片选端，低电平有效。管脚 8是外部读数时钟脉冲输入端，最高频率可达2.1MHz，当数据转换完成，输入外部读数时钟，每个读数时钟脉冲的上升沿读出一位数据，数据读出的顺序是由高位到低位，第一个读数时钟脉冲的下降沿表示数据输出开始，1241是12位模－数转换器，所以要完整的读出转换数据，至少需要外部输入13个脉冲。
1.3 工作过程
    其工作时序如图2所示，下面我们结合图2来分析MAX1241的工作过程.

    (1)、在 ＝1前提下，使片选信号有效，同时保持时钟输入端为低电平；
    (2)、大约9μs后，可在SCLK端送入外部时钟脉冲，读出数据。从时序图中可看出，转换数据是在输入脉冲由高电平变成低电平后有效，上升沿读出。当模数转换完成后，数据输出端DOUT由低电平翻转为高电平，所以也可通过查询DOUT的状态确定转换是否完成；
    (3)、在外部输入13个脉冲后，数据读取完成，将片选信号端置高电平。只要使片选信号再次有效，就可以重新开始一轮新的模数转换和读取过程。
    (4)、数据读取完成后，如果仍然保持片选信号有效，则DOUT端始终输出低电平。

2  数据采集系统设计

    MAX1241的典型配置及与89C51单片机的接口电路如图3所示，采用＋3.6V的标准电池E供电，这样，89C51和1241可以共用一个直流电源，从而减小系统体积。关断输入控制端由P1.0控制，这样使1241只有在需要采集数据时才处于标准工作模式，否则就处于节能态。1241的三根数据线，时钟输入端、片选控制端和数据输出端分别由89C51的P3.4、P3.3和P3.5控制。设计时应注意以下几点：
2.1 电源配置　
    VDD供电范围为2.7～5.25V，为减少来自电源的干扰，可在VDD引脚配置4.7μF和0.1μF的滤波电容.
2.2 参考电源的配置　
    由于MAX1241内部没有参考电源提供，需外接参考电压，只需将Vref接在4.7μF电解电容即可；特殊情况下，可根据前面所述的工作方式控制，让 悬空，此时，即可在REF引脚输入参考电压，其范围为1.0～VDD.REF引脚外接电解电容不宜选择过大，电容越大，MAX1241由待机模式到正常工作模式的唤醒时间将越长.
2.3 采样/保持电路　
    MAX1241芯片内部具有采样/保持电路，无需外部保持电容和采样/保持电路.
2.4  SPI接口时序的软件合成　
    由于89C51单片机不具有SPI接口，因而采用软件合成的方式来和MAX1241接口，模拟SPI接口方式.其时序必须严格按照图2所提供的时序图来进行.应当注意，SCLK的个数应比数据的实际位数多1，因第0个SCLK为A/D转换期间所必须提供的.
2.5 MAX1241与89C51的硬件接口　
    MAX1241的控制线SCLK、、DOUT可与89C51的通用I/O口直接相连，无需任何接口变换，其SPI接口由89C51的程序来合成.

                                   图3 数据采集电路
2.6 模拟电压输入　
    模拟电压经前级放大至0～VREF 范围后，由AIN引脚输入.

3  数据处理程序

    为保证数据的准确性，可利用程序来进行数字滤波，通常采用一次延迟数字滤波，其算

为了保证准确度，可采用双字节运算程序来处理数据，并且不考虑符号。这样可以简化程序。常数都表示成16位数据，以便进行双字节运算。在下列数据区中加入本程序所用的常数及运算数据。[page]

4  软件设计

    单片机用C语言编程具有开发周期短、可读性强、可移植性好和修改方便等特点，但是C语言反汇编生成的汇编代码往往较长。直接用汇编语言编程虽然编写的程序较短，在直接对机器配件进行控制方面具有相当的优势，但是开发周期长，修改也不方便。较好的解决办法是程序的框架或主体部分用C语言编写，要求执行效率高的部分用汇编语言编写。这种混合编程的方法将C语言和汇编语言的优点结合起来，所以成为目前单片机开发最流行的编程方法。
    根据设计要求，按照实现功能的分类，系统软件主要完成五项任务：系统初始化、数据采集、数据处理、键盘响应和数据显示。在数据处理中，需要进行大量浮点数的乘除法和正弦、余弦运算，因此数据处理部分采用C语言编写，在Keil环境中模块化编程，充分利用C语言强大的计算能力，系统初始化、键盘响应和数据显示也采用C语言编程，在数据采集部分中，MAX1241对时序要求比较严格，采用汇编语言实现，所有功能模块均为独立的C文件或ASM文件。而实现C语言和汇编语言的混合编程是软件设计中的难点和关键之一。本文中，汇编语言采用单独的文件，通过寄存器传递函数参数，相关具体程序如下所示：
 

5 结束语

    为保证数据的准确性，可多次采样后，利用程序来进行数字滤波，以减少各种噪声和干扰带来的错误数据，提高系统的可靠性和稳定性，而不需增加任何硬件开销.

参考文献

1 MAXIM公司. MAXIM产品资料全集［M/CD］. 1999
2 薛钧义，张彦斌. 单片微型计算机及其应用［D］. 西安:西安交通大学出版社,2001.06
3 （美）Charlie Calvert,et al.著 徐科等译C++Builder应用开发大全[M].北京：清华大学出版社，1999。