基于2051单片机串行数据采集传输模块的设计

在微机测控系统中，经常要用到A/D转换。常用的方法是扩展一块或多块A/D采集卡。当模拟量较少或是温度、压力等缓变信号场合，采用总线型A/D卡并不是最合适、最经济的方案。这里介绍一种以GNS97C2051单片机为核心，采用TLC2543 12位串行A/D转换器构成的采样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机（IBM PC兼容机）的串口COM1或COM2，形成一种串行数据采集串行数据传输的方式。经实践调试证实：该模块功耗低、采样精度高、可靠性好、接口简便，有一定实用价值。
1 主要器件介绍
1.1 TLC2543串行A/D转换器
模块采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。其特点有：
（1）12位分辨率A/D转换器；
（2）在工作温度范围内10μs转换时间；
（3）11个模拟输入通道；
（4）3路内置自测试方式；
（5）采样率为66kbps；
（6）线性误差+1LSB（max）
（7）有转换结束（EOC）输出；
（8）具有单、双极性输出；
（9）可编程的MSB或LSB前导；
（10）可编程的输出数据长度。

TLC2543的引脚排列如图1所示。图1中AIN0～AIN10为模拟输入端； 为片选端；DIN 为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。
1.2 GMS97C2051单片机
GMS97C2051是武汉力源公司和韩国LG公司联合推出的一种性能价格比极高的 8位单片机，其指令系统与MCS-51系列完全兼容。GMS97C2051与AT89C2051兼容（可直接替换），但其性能价格比优于AT89C2051。引脚排列如图2所示。
1.3 电平转换器MAX3232
MAX3232为RS-232收发器，简单易用，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换。
2 硬件设计
硬件电路如图4所示。

单片机GMS97C2051是整个系统的核心，TLC2543对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机通过P3.5（9脚）接收，AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4（8脚）输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器，单片机采集的数据通过串口（3、2脚）经MAX3232转换成RS232电平向上位机传输。图中串行LCD显示电路仅用于调试，对采集/传输的数据进行监测。
3 单片机软件设计
单片机程序主要包括串行数据采集模块“DATA_SAM”和串行数据传输模块“RS232”，调试所用到的显示子程序在此略去。
TLC2543的通道选择和方式数据为8位，其功能为：D7、D6、D5和D4用来选择要求转换的通道，D7D6D5D4=0000时选择0通道，D7D6D5D4=0001时选择1通道，依次类推；D3和D2用来选择输出数据长度，本程序选择输出数据长度为12位，即D3D2=00或D3D2=10；D1，D0选择输入数据的导前位，D1D0=00选择高位导前。
TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转换的结果，当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。第一次读数由于内部调整，读取的转换结果可能不准确，应丢弃。
数据采集程序如下：
DATA_SAM:
MOV R0,#30H ；数据缓冲区首地址30H→R0
MOV R1,#00000000B ；0通道方式/通道数据
ACALL RD_AD ；第一次读取的转换结果可能不准确,丢弃。
MOV R1,#00010000B ；1通道方式/通道数据
ACALL RD_AD ；送1通道方式/通道数据并读第0通道转换结果
MOV @R0,R2 ；转换结果存放到数据缓冲区,下同
INC R0
MOV @R0,R3
INC R0
MOV R1,#00100000B ；2通道方式/通道数据
ACALL RD_AD ；送2通道方式/通道数据并读第1通道转换结果
MOV @R0,R2
INC R0
MOV @RO,R3
INC R0
………… ；其它通道操作方式类推
RET
单片机通过编程产生串行时钟，并按时序发送与接收数据位，完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出，程序如下，供数据采集模块“DATA_SAM” 调用。
CLK EQU P3.3
DIN EQU P3.4
DOUT EQU P3.5
CS EQU P3.7
RD_AD:
CLR CLK ；清I/O时钟
SETB CS ；设置片选为高
CLR CS ；设置片选为低
MOV R4,#08 ；先读高8位
MOV A, R1 ；把方式/通道控制字放到A
LOP1:
MOV C,DOUT ；读转换结果
RLC A ；A寄存器左移，移入结果数据位，移出方式/通道控制位
MOV DIN,C ；输出方式/通道位
SETB CLK ；设置I/O时钟为高
CLR CLK ；清I/O时钟
DJNZ R4,LOP1 ；R4不为0，则返回LOP1
MOV R2,A ；转换结果的高8位放到R2中
MOV A,#00H ；复位A寄存器
MOV R4,#04 ；再读低4位
LOP2:
MOV C,DOUT ；读转换结果
RLC A ；A寄存器左移，移入结果数据位
SETB CLK ；设置I/O时钟为高
CLR CLK ；清I/O时钟
DJNZ R4,LOP2 ；R4不为0，则返回LOP2
MOV R3,A ；转换结果的低4位放到R3中
SETB CS ；设置片选为高
RET
串行数据传输模块包括串行口初始化子程序和数据传输子程序，各子程序分别如下。其中数据传输采用查询方式，也可以方便地改为中断方式。
INIT_COM:
MOV SCON,#50H ；串口方式1工作，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验
MOV PCON,#80H ；SMOD=1，波特率增倍
MOV TMOD,#20H ；波特率设置，fOSC=12MHz，波特率=2* 2400，N=0F3H
MOV TH1,#0F3H
MOV TL1,#0F3H
SETB TR1 ；启动定时器T1
RET
RS232:
MOV R0,#30H ；缓冲区首地址30H→R0
MOV R5,#22 ；发送数据长度→R5，11* 2=22
LOOP:
MOV A,@R0 ；取数据→A
MOV SBUF,A ；数据→SBUF
WAIT:
JBC TI,CONT ；判断发送中断标志，是1则转到CONT，并清TI
SJMP WAIT
CONT:
INC R0
DJNZ R5,LOOP
RET
4 上位机串口接收程序设计
上位机接收数据所用C语言程序包括初始化子程序和接收子程序。各子程序分别如下：
void init_com1(void) /*初始化子程序*/
{
outportb(0x3fb,0x80); /*线控制寄存器高位置1，使波特率设置有效*/
outportb(0x3f8,0x18); /*波特率设置，与单片机波特率一致为4800bps*/
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03); /*线控制寄存器设置，8位数据位，1位停止位,无奇偶校验*/
outportb(0x3fc,0x03); /*Modem控制寄存器设置,使DTR和RTS输出有效*/
outportb(0x3f9,0x00); /*设置中断允许寄存器，禁止一切中断*/
}
void receive_data(void) /*查询方式接收数据子程序*/
{
while(!kbhit())
{
while(!(inportb(0x3fd)&0x01));/*若接收寄存器为空，则等待*/
printf("%x ",inportb(0x3f8)); /*读取结果并显示*/
}
getch();
}
5 结论
本文给出的硬件和软件均经过实践检验，并且已经按照PC/104总线制作成数据采集卡，使用很方便，能够满足对数据采样频率要求不是特别高的应用场合。