基于單片機的脈沖數(shù)據(jù)采集電路設計

 脈沖信號的丟失往往是造成誤差的主要因素，特別是對一些非電信號的檢測，比如說位移量轉化為脈沖信號，而精確的測量位移然后準確的轉化為脈沖數(shù)據(jù)就顯得尤為重要，現(xiàn)階段市場上有很多一起可以直接將脈沖數(shù)據(jù)轉化為位移、速度等物理量，如數(shù)字顯示器，但很少有將位移量轉化為脈沖信號的，因此，我們可以設計一種可以直接將位移量轉化為脈沖數(shù)據(jù)的，并且可以通過顯示器顯示的測量電路，這將給我們測量帶來諸多便利。

1 AT89S52數(shù)據(jù)采集指標分析

常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出采用上位機和下位機兩層結構模式。下位常采用單片機完成前端的多路數(shù)據(jù)采集，上位機則通常用PC機或工控機來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和相關的數(shù)據(jù)處理機結果顯示。有線常用RS-232或RS-485通信協(xié)議等，其上可以運行地址或數(shù)據(jù)等不同的信號類型，之間采用分時或編碼的方式加以區(qū)分。

由于采用主從雙MCU系統(tǒng)，所以這部分問題的核心在于選擇什么芯片。設計要求采樣八通道，精度為4位，因此可以采用8位的ADC芯片，選用RS-232串口，由于RS-232性價比高，在短距離傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，在本設計中完全可以滿足要求。

2 總體設計方案

如圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖，它由傳感器、A/D轉換電路、單片機及驅動控制構成。各部分模塊的作用如下：

1)被測物理量：位移變化量;

2)位移傳感器：將測量到的物理量通過特殊電路轉變?yōu)槟M信號量，再通過傳感器電路中的輸出系統(tǒng)輸出模擬信號。這里采用光柵尺位移傳感器，其基本要求如下：

量程：0～300 mm;

傳感器靈敏度：200次/mm;

傳感器分辨率：5μm;

傳感器信號輸出頻率：<1000 Hz;

3)儀表放大器電路：對微弱的檢測比較困難的模擬信號通過放大電路進行不失真放大，確保能夠與模數(shù)轉換電路有效的連接，同時保證模數(shù)信號的轉換精度;

4)被測電量電路：本電路設計采用0～5 V之間的直流模擬電壓作為一路輸入信號;

5)A/D轉換器：將模擬信號通過轉換電路轉換成數(shù)字信號，輸出信號為數(shù)字信號。

6)AT89S52單片機：此單片機具有小型計算機功能，性能很高但功耗卻很低，是一種高性價比的8位微控制器，它是整個脈沖數(shù)據(jù)采集電路的核心組成部分。

3 數(shù)據(jù)采集電路的設計

當前所使用的光柵尺位移傳感器量程為300 mm，精度為5μm，即光柵尺傳感器檢測到一個脈沖位移的變化量為5μm，脈沖數(shù)據(jù)采集就是指光柵傳感器與它待測顯示儀器數(shù)字顯示表通過串口連接，當光柵尺位移傳感器的位移發(fā)生變化時就會產(chǎn)生脈沖信號，信號通過數(shù)顯器內(nèi)脈沖信號轉換電路就可以將光柵尺位移變化準確地顯示，脈沖信號經(jīng)過信號線并聯(lián)，一路輸出給數(shù)顯器進行讀數(shù)顯示。另一路脈沖信號使用串口連接上位機，通過上位機程序中進行分析、處理，脈沖采集系統(tǒng)是綜合計算機、機床設備還有專用測量儀器等相互結合靈活運用及用戶自定義功能的測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)脈沖數(shù)據(jù)的顯示、位移大小顯示、脈沖與位移之間的轉換等功能，可通過USB、串口等接入個人計算機。

3.1 電平轉換電路設計

如圖2電源電平轉換電路是專門為RS232設計的電源電平轉換芯片電路。由于RS-232的邏輯低電平0電平規(guī)定為+5～+15 V，邏輯高電平1電平規(guī)定為-15～5 V，因此在與TTL電路連接時必須經(jīng)過高低電平之間的轉換。高低電平之間的電平轉換方法有很多，此電路直接采用電平轉換芯片，此轉換芯片的優(yōu)點是：在電路中占地空間比較小，不需要單獨設計電平轉換電路，并且與其他電路連接起來非常方便，還有此芯片已做得非常成熟，工作穩(wěn)定可靠，具有極好的抗干擾抗靜電能力。

3.2 模擬信號整形、濾波、放大電路

如圖3模擬信號整形放大電路采用74HTC14芯片，此芯片有兩個D觸發(fā)器，PR端為預置端，CLR端為清零端，CP端為時鐘輸入端。此電路具有施密特觸發(fā)器的優(yōu)點：1)波形變換功能，可將三角波、正弦波等變成矩形波;2)脈沖波整形功能，在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖;3)脈沖鑒幅功能，幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能選擇幅度大于欲設值的脈沖信號進行輸出。

此模擬信號整形電路的設計實現(xiàn)了6路施密特觸法反相放大器功能，將系統(tǒng)緩慢變化的輸入信號轉換成了清晰、穩(wěn)定、無抖動的輸出信號，有效的提高了LED顯示脈沖數(shù)據(jù)的精確性。

3.3 USB轉串口通訊電路設計

該轉換電路采用CH341A型號的USB總線轉換芯片，該芯片具有28個管腳，工作狀態(tài)有2種，一種工作狀態(tài)是同步串口模式，另一種是異步串口模式。當工作在同步串口模式時必須使芯片23管腳SDA接地或者接低電平，因為此引腳為功能配置輸入引腳，內(nèi)部具有上拉電阻限制電位;16管腳DSR具有復位(RST)功能;18管腳DCD具有時鐘信號(SCK)功能;20管腳DTR具有數(shù)據(jù)輸出(MOSI)功能;22管腳SLP具有數(shù)據(jù)輸入(MI SO)功能。而當該芯片工作在異步串口模式時必須使23管腳SDA懸空，此時5管腳TXD為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，6管腳RXD為串行數(shù)據(jù)接收端，同時27引腳在低電平有效時該芯片才能發(fā)送接收數(shù)據(jù);26管腳TNOW為串口發(fā)送數(shù)據(jù)正在進行的狀態(tài)指示功能，高電平有效，在半雙工串口方式下，該引腳可用于串口數(shù)據(jù)接收發(fā)送切換狀態(tài)。在以上兩種工作模式中，10引腳UD+和11引腳UD-與USB端口相對應接，13引腳XI、14引腳XO分別接晶振和振蕩電容，9引腳V3為直流電源電壓選擇端，電源電壓為5 V時，該引腳需要接一個0.47μF的極性電容和0.1μF、0.01μF的電容接地。其它信號線引腳根據(jù)電路功能需要選用，不需要時都可以懸空。

該轉換電路主要是為解決當前計算機串行通訊接口只有USB，難以滿足舊型號設備或某些單片機要求RS232通訊的問題，故采用CH341A與MAX223集成電路芯片構建標準9線RS232/USB通用接口轉換器，該轉換器功耗很小，由USB端口提供電源，并且在上位機驅動程序的控制下無需二次編程開發(fā)即可使用，RS232/USB轉換器通訊測試如圖5所示。

3.4 AT89S52核心控制電路設計

如圖6所示，采用AT89S52與兩個74HC573鎖存器傳輸信息使用，AT89S52具有低功耗、高性能、8K字節(jié)的Flash及32位I/O口線、全雙工串行通信口等優(yōu)點。其中U10鎖存器做位選功能，U9鎖存器做段選功能，這樣就可以有效擴展AT89S52單片機P2的I/O端口，使程序控制信息與脈沖數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中能夠非常有效的控制，這為多路脈沖數(shù)據(jù)的采集提供了重要的基礎。

4 結論

此脈沖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計能很好地解決位移變化非常緩慢但又不便用儀器測量的裝置，可以將緩慢變化的位移量通過脈沖數(shù)據(jù)來顯示，這就給電機的精確進給量提供了有效的依據(jù)，可以通過編程上位機程序來進行自動進給量，也可以通過手動單個脈沖的進給，這將非常有效地提高測量精度和加工精度。