一种基于单片机串口的数据采集系统设计

0 引言

C8051F是一个通用的SOC单片机系列，结构先进，功能强大，同时又贴近当前单片机应用的环境。SOC技术是一种高度集成化，固件化的系统集成技术。

本文主要功能：系统使用C8051F020单片机作为控制器，控制采样率500kbps，采样位数12的高速A/D芯片MAX120进行数据采集。采集的信号经单片机处理后，由串口送入PC中。

1 数据采集系统

数据采集(DataAcquisition)是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工业控制与生产状态监控中,都需要对各种物理量进行数据采集与分析。试验测试产生的物理信号通过传感器转换为电压或者电流一类的电信号，然后通过数据采集卡将电信号采集传入PC，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。

数据采集系统一般由传感器，信号调理电路，A/D转换，数据采集卡，接收端组成。数据采集原理图如图1所示。

图1 数据采集原理图

信号调理模块主要设计了混合信号采集前处理电路，该系统除了可以对电压输出传感器信号进行数据采集外，还可以直接采集混合信号。

C8051F采用CIP-51内核，速度达25MIPS；有多个16位通用定时器及电压比较器；在片内集成了多路ADC及DAC，缩短了系统的研发周期。C8051F02x系列单片机支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

AD转换器是连接系统模拟部分和数字部分的桥梁。该设计利用MAX120A/D转换芯片，它有片内的跟踪、保持电路和低漂移电压基准电路，而且转换速度快、功耗低。它的转换时间为16μs，吞吐率高达5*105次/s采样，可满足高速采集的需要。

数据采集系统性能的好坏，主要取决于其精度和速度，这是衡量一个数据采集系统的两个最主要的参数。此外还有最大通道数，稳定性(抗干扰能力)，功耗及成本等各种指标。在我们进行设计时，应当在保证精度的前提下，尽可能的提高采样速率，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。此外还应根据具体要求，增加通道数，稳定性，并降低成本和功耗。

2 系统设计

2.1 系统总体电路设计

硬件设计中使用C8051F020作为采集系统的控制芯片，将MAX120芯片接成非处理器模式，使用C8051F020—控制端口控制MAX120进行A/D采集。等待MAX120转换完数据后，单片机将采集的12位数据进行处理后由串口发送到PC中。

系统使用C8051F020作为控制器，控制采样位数为12位，转换速度为500kbps的A/D芯片MAX120进行数据采样，采样的数据通过串口实时传输到PC中。由于MAX120芯片可以采集-5～5V模拟信号，采样率为500kbps，因此系统具有很高的采样电压范围。采集系统的硬件设计电路如图 2 所示。

图2是串口数据采集系统总体电路图，其中微控器外围电路主要完成了下载接口、复位接口、A/D转换接口以及系统串口通信部分的电路设计。

2.2 系统程序设计

系统软件设计主要是对C8051F020单片机系统的初始化、端口配置、A/D初始化和系统的采集时序问题等程序的设计。系统外接晶振频率为22.1184MHz，设计C8051F020串口通信波特率为115200bps，使用芯片的串口0进行通信。其中包括串口传输部分子程序，A/D采样部分子程序，还有微控制主程序。

3 实验结果

采用了4个通道CH0，CH1，CH2，CH3的模拟输出，每个通道的波形幅度为-5v～+5v，采样的速率达到了100kHz，采样的长度是16k，采样的时间是0.1638s，采样延时时间为20.48ms。数据采集结果如图3所示。

图2 数据采集系统总体电路图

图3 数据采集波形图

4 结论

通过设计基于C8051F单片机串口数据采集系统，详细了解了C8051F芯片的主要设计方法和设计步骤。此外通过此系统设计掌握了C8051F单片机串口程序和外围电路设计。使用MAX120作为A/D的采集系统具有采集范围广，控制灵活的特点，可以在该设计的基础上增加液晶显示模块，使采集的信号实时显示在液晶显示屏上。通过设计学会了C8051F与普通51系列单片机的芯片资源分配不同的特点，以及外部硬件开发时程序控制逻辑始终不变的规律。通过测定该系统满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。