基于ADμ C812的数据采集与存贮系统

金伟正,杨光义

(武汉大学电子信息学院电子工程系湖北武汉430079)

本文介绍的数据采集与存贮系统非常适合单片机技术课程教学实验。它能使学生快速掌握单片机的最小系统的设计,包括超大容量内存的扩展方法、ADC的实现、DMA数据传输概念的的建立和ISP口调试方法的使用等。

1 ADμ C812简介

ADμ C812是美国ADI公司新近推出的Micro-ConverterTM概念数据采集芯片[1,2]。其内部集成12Bit自定标多路ADC(8路模拟量输入,1路片内温度监测输入),2路12位DAC。内嵌可编程8Bit MCU8051[3]兼容核。

MCU支持DMA方式ADC功能,并为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程口线、I2C、SPI和标准UART串口,工作电压为3V和5V。其封装形式为52PQFP。

2 系统硬件原理

图1给出了利用ADμ C812构成的数据采集与存贮系统的原理图[4]。该系统提供1Mbytes外存,用于存贮ADC值,可采样 512k个数据。图中的U2、U3为CY62148(512kSRAM)。U2空间范围为000000H到07FFFFH。U3空间范围为080000H到0FFFFFH。J1、U7构成 RS232串口,既可作为用户的 RS232串口,也可作为 ISP编程口和调试口。当J3短接时,RS232串口为ISP编程口和调试口;J3断开时RS232串口为用户串口。当系统运行ADμ C812片内程序时,EA应接电源 VCC;运行ADμ C812片外程序时,EA应接地GND。该系统可用于语音信号的录放、数字滤波和数字存贮式示波器等。对于不同的应用,我们必须对输入的模拟信号进行一定的处理,使信号在0-2.500V范围内。如果我们采用8kHz的速率对语音信号进行采样,该系统录音可达64秒钟。

图1 数据采集与存贮系统的原理图

3 ADC特性和控制方法

ADμ C812模数转换器具有如下几种控制特性。

1)ADμ C812模数变换器,自带采样保持电路和8路模拟开关,其转换速度可通过软件控制,最高速度可达每秒200,000次。内嵌2.5V的基准源,同时也可由外部提供基准源。

2)ADC转换时间由ADCCON1中的 CK1和CK0控制。CK1和CK0组合控制方式如表1所示。

表1 CK1和CK0组合控制方式

如果使用11.0592MHz的晶振,则最小分频数为4。如果使用16MHz的晶振,则最小分频数为8。ADμ C812所使用的最小外部晶振应为400kHz。在模拟信号经过采样和保持后,ADC需要16个时钟周期(ADC CLK)来完成AD转换。

3)模拟量识别时间由ADCCON1中的AQ1和AQ0控制。AQ1和AQ0组合控制方式如表2所示。

表2 AQ1和 AQ0组合控制方式

4)AD转换的控制方法有以下四种:软件、外部触发(P23)、Timer2和DMA。

(1)软件控制——可在所选择的通道上,进行单次转换和连续转换。由于AD转换时间较小(5-6ms),所以单次转换模式通常用于软件控制,如数字控制。而连续变换则适合于DMA模式。

(2)外部触发控制——可用P2.3脚提供的外部触发信号(低电平)来触发AD转换,既可为单次转换也可为连续转换。

(3)Timer2控制——这是一种非常有效和有用的控制模式。Timer2每中断一次,AD转换就被触发。Timer2可设置成16bit自动重装载模式。若使用12MHz晶振,Timer2每1μ s钟增加一个数,则采样数一直在10μ s至65ms之间。

(4)DMA控制[2]——ADC DMA 控制方式允许将大量AD变换结果直接存贮在外部存贮器中。

当设置成DMA控制模式时,可使用较高的转变速率(每秒200,000次)。AD转换不仅能实现单通道转换,也可实现8个通道或8个以下任意几个通道的转换。AD转换的结果直接自动地存放在外部存贮器中,而所有这些工作并不干扰8051核。外部寻址可达16MBytes,这非常适合于数字存贮式示波器、数字录音、数字滤波和数字信号处理等系统的应用。

DMA的转换依赖于3个8bit的指针DMAL,DMAH和DMAP。它们构成24bit指针,这即可寻址外部16MByte SRAM。DMA的操作仍然要使用2个 8bit口0和2来寻址24bit地址。P0口产生低8位地址[4]。通过对外部锁存器的锁存,P2口产生A16-A23地址,同时P2口也产生A8-A15地址。

在DMA操作期间,当DMAH溢出时,高地址指针DMAP将自动增加。在读取外部数据时,在用户程序控制下,整个外部16MByte数据空间既能实现存贮也可直接读取,而不需考虑对其外部存贮器进行页操作。

必须指出的是,在 ADC DMA模式下,由于ADμ C812内核占用了 P0和 P2口,这时如果ADμ C812内核对P0和P2口进行操作,其数据在 P0和P2口是不可见的。

4 应用教学效果

单片机课程的重点在于,如何规划单片机应用系统软、硬件之间的关系,如何合理地选择外部扩展器件,合理地分配单片机资源等。本系统应用于单片机课程教学对学生的实践能力的提高主要表现在下列几点。

(1)能使学生易于理解单片机应用系统的构成:通过扩展相关的外围电路,构成用于测量外界物理信号并控制相应器件工作的硬件系统,以及熟悉能对硬件系统进行合理操作与控制的应用程序。两者的结合使得应用系统能完成某些特定的功能。

(2)能使学生了解单片机应用系统范围:主要是数据采集系统,也包括工业过程控制系统、智能仪器仪表以及其它采用单片机控制的电子设备。

(3)能使学生进一步深入了解单片机应用系统设计特点:一个重要特点是硬件设计与程序设计基本上是同步进行的,软件与硬件之间有着密切的联系。特别是通过DMA的软件设计。

(4)能使学生掌握基本单片机应用系统的硬件构成:信号输人通道、基本单片机系统、人机对话通道以及信号输出控制通道。根据单片机测控系统使用场合的不同,对这几部分的要求可能有繁有简,由此,可以将包含以上各部分的单片机测控系统视为一个典型的单片机应用系统。

[1] ADI公司,MicroConverterTM Products ADμ C812 U ser's Manual,2001

[2] ADI公司,MicroConverterTM QuickStart Applications Board User Guide 1999

[3] 菲利普公司,80C51-Based 8-Bit Microcontrollers,2000

[4] 何立民,单片机应用系统设计,北京:北京航空航天大学出版社,1990