《利用FIFO的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案》畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)利用FＩＦO的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)吳軒昂070１0５432９吳軒昂070１0５432９機(jī)電工程學(xué)院同學(xué)姓名：學(xué)號(hào)：機(jī)電工程學(xué)院探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)學(xué)院:探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)王利專(zhuān)業(yè)：王利指導(dǎo)老師:201１年5月?利用ＦIFO的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要高速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)在通信、航天、氣象等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。隨著各領(lǐng)域的不斷進(jìn)展,對(duì)數(shù)據(jù)采集的速率及容量要求越來(lái)越高.高速數(shù)據(jù)采集主要包括數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)、串口總線應(yīng)用、程序驅(qū)動(dòng)等，實(shí)時(shí)、高速、連續(xù)、大量地采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。尋找一種使用便利的A/D轉(zhuǎn)換器件,通過(guò)簡(jiǎn)潔FIＦＯ電路在單片機(jī)的掌握下得到性能優(yōu)良的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本文介紹了本項(xiàng)討論目標(biāo)與總體現(xiàn)狀，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的有用價(jià)值。正文部分給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用單片機(jī)掌握下的ＦIFO電路的必要的理論分析及實(shí)驗(yàn)裝置。最后總結(jié)了本次的設(shè)計(jì)工作，指出進(jìn)一步討論的方向。【關(guān)鍵詞】：高速數(shù)據(jù)采集,A／D轉(zhuǎn)換,FＩＦO,單片機(jī)?Hiｇｈ－speｅdＤatａAcｑuｉsitｉｏｎ＆StorａgeＳysｔemuｓingFIFOAbstrａctHigh—speｅdｄataａｃｑuisiｔioｎ＆storaｇesyｓｔemsiｓwiｄeｌｙusｅdｉnｍaｎyｆiｅlｄｓsuchaｓｃommｕnｉｃａt(yī)iｏｎ,ｎavigａｔiｏnａndmeｔeorｏｌoｇy.Asｔｈｅdevｅlopｉngofｔｈesｃｉeｎceｔｅcｈnｏlｏgyinmanｙfiｅｌｄs，datａstoｒaｇeｓｙsteｍsｏｆｈigｈ－ｓpｅｅdandlarｇｅcapacityhavebeeｎincｒeasｉｎｇlyfocｕsed。Hiｇh—ｓpｅe(cuò)ddatａacquｉsｉtion＆storagesｙstemsｉｎvｏlveslotsofkｅytecｈnologｉessuchasｄａｔaａcqｕｉｓitionａnｄsｔoragｅ,ｃompuｔerbｕsａｐplicatｉonanddｒｉverprogrａｍming,ｗithｍａnyｃrｉｔicaliｓsuesｓuchａshigh-ｓpeeｄ，reａｌ-time,lａrgecapacitｙaｎdｃontinuation。Ｄｅsiｇｎｉngahighpeｒfｏrmancｅｈigｈ－ｓpeｅddatａacｑｕisiｔionsysteｍusinｇA／DcoｎｖerｓioｎｃｈiｐandeasyFIFＯ-ciｒｃuｉtundｅrｃonｔrolｏｆamiｃｒocontrolｌeriｓthetaｒｇetoｆtｈiｓdeｓｉｇn。Tｈepurｐose,thesituａt(yī)iｏnoｆcurrentdatａａｃqｕｉsｉtｉoｎfｉelｄ，andｉｔsvalｕeinｏuｒsoｃｉａlｅconomｙisdｉsｃusseｄ。Ｉｎthｅｍａｉnｐassage,thｅｎｅcｅssaryｗaｙbｙusiｎgaＦＩFＯｗｉthamicrｏｃontｒolｌｅｒtoanalｙsｉsａnｄｔesｔｉｎgｉsgiｖｅn。Tｈeｇenerａlworkoｆthisｐａperiｓｓumｍaｒｉzeｄ，ａnｄthｅｆurtherｒｅｓｅａｒchdirecｔｉｏnispointｅｄｏutａt(yī)ｌast。【Keyｗords】:Hiｇｈ－spｅｅｄｄaｔaacquisiｔion&storａge,A/Dconｖｅｒｓion，F(xiàn)IＦO,mｉcｒｏｃontrolｌer中北大學(xué)2011屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第頁(yè)1引言1．1討論背景與意義隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及微電子學(xué)的高速進(jìn)展,數(shù)字系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)與科學(xué)實(shí)踐等各個(gè)領(lǐng)域.與模擬系統(tǒng)相比,數(shù)字系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好,但是只能處理離散數(shù)字信號(hào)。而大部分傳感器輸出的仍是電壓、電流等模擬信號(hào)，因而需要將其轉(zhuǎn)換為便于處理、存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、位移、流量等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集成數(shù)字信號(hào)后,由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理、顯示的過(guò)程。相應(yīng)的系統(tǒng)就稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是當(dāng)今信息科學(xué)一個(gè)重要的分支,它與接感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。它在信號(hào)處理系統(tǒng)中也占有著重要地位,它是聯(lián)系著前端與后端的橋梁，數(shù)據(jù)采集摸塊的精度、穩(wěn)定性及速度將會(huì)直接影響到整個(gè)系絞的性能。所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要任務(wù)簡(jiǎn)略說(shuō)是,采集傳感器輸出的模擬號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量,送入計(jì)算機(jī),依據(jù)不同需要而由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算與處理,得到所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)顯示或進(jìn)行打印，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視。隨著科技與信息技術(shù)不斷進(jìn)展,使得信息的采集、傳輸及存儲(chǔ)的速度不斷提高，存儲(chǔ)的容量不斷增大。在氣象、雷達(dá)、天氣預(yù)報(bào)、航天航空和通信等多個(gè)領(lǐng)域,都要求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、速率高、穩(wěn)定性好，所以高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)前景寬闊.目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)多數(shù)還是只是基于傳統(tǒng)ＰC結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)在存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展性、存儲(chǔ)的速度、牢靠性、容錯(cuò)性方面都還有很大的不足。對(duì)于很多的行業(yè)，傳統(tǒng)的設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)意需求。而一些高端領(lǐng)域中基于服務(wù)器的磁盤(pán)陣列等等的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),主要應(yīng)用在電信、金融等民用領(lǐng)域,存儲(chǔ)的速率雖然較高，價(jià)格卻也是極其昂揚(yáng)的。1．2討論與進(jìn)展現(xiàn)狀現(xiàn)在常用的采集方式是通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，該實(shí)現(xiàn)方法通常適用于規(guī)模較簡(jiǎn)潔的采樣掌握?qǐng)龊稀?duì)于一般的場(chǎng)合通常采納功能比較單一的儀器設(shè)備,即時(shí)采集顯示,再通過(guò)閱歷或做數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行分析.采納板卡方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且容易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制.這些采集系統(tǒng),一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔,成本較高。數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)展到現(xiàn)在，已經(jīng)在速度和接口方式上有了很大的改進(jìn)，市場(chǎng)上速度已經(jīng)突破了500ＭHz，接口方式也已拓展到IＳA、PＣI、ＵＳＢ、PＸI等多種接口.目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要由國(guó)外公司主導(dǎo),高速采集卡方面尤為如此。市場(chǎng)上的此類(lèi)產(chǎn)品多出自NEＦF、ＩOTECH、ＩN、ＨＰ、TEK、ZONIＣ和VＭIC等知名外國(guó)公司。國(guó)內(nèi)公司的產(chǎn)品與國(guó)外的有很大差距。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)討論的各行業(yè)中,絕大多數(shù)還是利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。其中一般都采納單片機(jī)，而單片機(jī)已從４位、８位、16位在向32位進(jìn)展，對(duì)大多數(shù)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)已經(jīng)能滿(mǎn)意要求了，由于單片機(jī)也有很多優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格比較低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、接口擴(kuò)展能力強(qiáng)，但有個(gè)很明顯的缺點(diǎn)就是數(shù)字運(yùn)算能力差，在一些要求對(duì)信號(hào)的數(shù)字處理比較簡(jiǎn)潔的領(lǐng)域,就顯得力不從心了.?2設(shè)計(jì)原理與基本思想2.1硬件原理目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種:微機(jī)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微機(jī)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖２—１所示。由圖知，主要由傳感器、模擬多路開(kāi)關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A／D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成：圖２-1微機(jī)型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集框圖本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求是利用單片機(jī)與緩存FＩＦＯ實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集,且數(shù)據(jù)采集速率不低于１０0KBS,屬于微機(jī)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由上圖的原理可知,一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須擁有的模塊,就是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及掌握電路部分.而對(duì)于一個(gè)高速數(shù)據(jù)的采集,則對(duì)采集系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊必必要適應(yīng)高速輸入下的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,采樣速率要高,轉(zhuǎn)換速率要快，并且要有工作在高頻信號(hào)中的抗干擾能力;其次，為解決一般非易性存儲(chǔ)器的寫(xiě)入速率低與數(shù)據(jù)采樣速率高的不匹配問(wèn)題，需要在兩者之間加入一個(gè)容量足夠大的緩沖裝置，此緩沖裝置要求能以高速率不斷寫(xiě)入，并以可掌握的速率寫(xiě)出,自身容量足以使采集的信號(hào)完整而不失真。綜合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給出的要求，和上述基本原理框架，則可設(shè)計(jì)出本人的原理結(jié)構(gòu)如圖2-2:圖2-２原理框圖2。２軟件原理由于要使用單片機(jī)的掌握信息來(lái)維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行,所以對(duì)單片機(jī)的編程成了軟件部分設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容。在Kｅｉl中使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，通過(guò)編譯后產(chǎn)生。ＨEＸ文件，再通過(guò)STＣ_ISP軟件下載到單片機(jī)中，使單片機(jī)隨固定的程序運(yùn)行,發(fā)揮信號(hào)掌握作用.系統(tǒng)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速ADC的工作及ＦIFO的讀寫(xiě)進(jìn)行時(shí)序掌握，為了演示信號(hào)，有單片機(jī)直接將FIＦO中數(shù)據(jù)一邊讀取,一邊通過(guò)串口直接傳送至PC，通過(guò)PC端串口調(diào)試助手軟件的人機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)，并存入指定位置的．ＴＸT文件中.

3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)與前提部分。正是有了模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，形形色色的模擬量世界才能得以變成在工業(yè)上機(jī)器（計(jì)算機(jī)）所能識(shí)別的數(shù)字量,也正是如此,當(dāng)今日新月異的電子科學(xué)才有了在生活中的廣泛應(yīng)用。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì),主要就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即AＤC芯片的選用與設(shè)計(jì)。3.1ＡDＣ簡(jiǎn)介模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括量化和編碼。量化是將模擬信號(hào)量程分成很多離散量級(jí)，并確定輸入信號(hào)所屬的量級(jí)。編碼是對(duì)每一量級(jí)安排唯一的數(shù)字碼，并確定與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的代碼.模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，從轉(zhuǎn)換原理來(lái)分可分為直接法和間接法兩大類(lèi)。直接法是直接將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡(luò)輸出的一套基準(zhǔn)電壓,從高位起逐位與被測(cè)電壓反復(fù)比較，直到二者達(dá)到或接近平衡。這種直接逐位比較型(又稱(chēng)反饋比較型）轉(zhuǎn)換器是一種高速的ＨYPＥRLINＫ"htｔｐ:/／bａike．baｉ／view／1０74707．htｍ"\t”＿bｌank”數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換精度很高,但對(duì)干擾的抑制能力較差,常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來(lái)彌補(bǔ)。它在計(jì)算機(jī)接口電路中用得最普遍。間接法不將電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字,而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量,再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。常用的有電壓—時(shí)間間隔（V/Ｔ)型和電壓－頻率(V/Ｆ)型兩種，其中電壓－時(shí)間間隔型中的雙斜率法（又稱(chēng)雙積分法)用得較為普遍。３.2AＤC的分類(lèi)下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種類(lèi)型的ADＣ:積分型(如ＴＬC7１35）逐次比較型(如TＬＣ08３１）并行比較型/串并行比較型（如ＴＬC5510）并行比較型ＡＤ采納多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱(chēng)Flａsｈ(快速）型.由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2ｎ—１個(gè)比較器,因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度格外高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器協(xié)作DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱(chēng)為Hａｌfflaｓｈ(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)型ＡD,而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱(chēng)為流水線(Pｉpelineｄ）型ＡＤ，現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類(lèi)AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。Σ—Δ調(diào)制型（如AD７７0５）電容陣列逐次比較型（如AＤ７641）壓頻變換型(如AD65０）3。3ADＣ的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辯率（Resolｕtioｎ)指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量,定義為滿(mǎn)刻度與2n的比值.分辯率又稱(chēng)精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。(2）轉(zhuǎn)換速率（ＣonｖersionＲａｔe)指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AＤ轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。（3）量化誤差(QｕaｎtizinｇEｒror）由于ＡD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率ＡD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性ＨＹPERLＩＮK＂http：/／ｂaｉｋe.bａｉdu．ｃom/ｖiew／４00.ｈｔm＂＼t”_bｌank”曲線與無(wú)限分辯率ＡD(抱負(fù)AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。（４）偏移誤差（ＯｆfsｅｔＥｒｒｏr）輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。(5）滿(mǎn)刻度誤差（FｕllＳcａleEｒｒor）滿(mǎn)度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與抱負(fù)輸入信號(hào)值之差.（6）線性度（Lineaｒity）實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與抱負(fù)直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。其他指標(biāo)還有：肯定精度(AbｓoluteＡｃcuracｙ），相對(duì)精度（RｅlativeAｃcｕｒａcy）,微分非線性,單調(diào)性和無(wú)錯(cuò)碼,總諧波失真（TotalＨaｒmｏnｉcDiｓtotorｔiｏn縮寫(xiě)THD）和積分非線性.３．4采樣原理3。4.１Nyqｕiｓｔ采樣定理Nyquｉsｔ采樣定理,也即低通信號(hào)采樣定理,是最基本的信號(hào)采樣理論.設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)x(ｔ），其頻帶限制在（0,fn）內(nèi)，如果以不小于fs=２fｎ的采樣速率對(duì)x(t）進(jìn)行等間隔的采樣，得到時(shí)間離散的采樣信號(hào)ｘ(n）＝x(ｎTs)（其中Ｔs=1／fs，稱(chēng)為采樣間隔)，則原信號(hào)x(ｔ）將被所得到的采樣值x（n）完全地確定。由上述Ｎyquist采樣定理可知,如果以不低于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣速率對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣,那么所得到的離散采樣值就能精準(zhǔn)的確定原信號(hào)。即只要滿(mǎn)意：wｓ≥２wｈ或fｓ≥2fｈ由上式可以看出，當(dāng)ｆｓ≥2fh時(shí)，定理適用，但是ｆs＜2ｆh就不合適了，實(shí)際場(chǎng)合中的被采樣信號(hào)越來(lái)越高，而采樣率是有限的，為正確采樣，此時(shí)用到如下定理.3。４。２帶通采樣定理帶通采樣定理，對(duì)一個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào)采樣。設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)x（ｔ）,其頻帶限制在(fｌ，fh)內(nèi)，如果其采樣速率fs滿(mǎn)意:式中,n取能滿(mǎn)意fｓ≥2（ｆｈ—fl）的最大正整數(shù)（0，１，２，３，…),則用fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值x(nＴｓ）能精準(zhǔn)的確定原信號(hào)ｘ(t).上式用帶通信號(hào)的中心頻率f０和頻帶寬度B也可表示為:式中，ｎ是能滿(mǎn)意fs≥2B（Ｂ為頻帶寬度)的最大正整數(shù)。當(dāng)頻帶寬度B肯定時(shí)，為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率（ｆs=2B）對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣,帶通信號(hào)的中心頻率和頻帶寬度滿(mǎn)意下列關(guān)系式:也即信號(hào)的最高(或最低)頻率是帶寬的整數(shù)倍，其頻譜圖如下圖3—1所示：圖3－１帶通信號(hào)的頻譜如圖(ｂ)所示（圖中只畫(huà)出了正頻率部分，負(fù)頻率部分是對(duì)稱(chēng)的)。也就是說(shuō)位于圖（b)任何一個(gè)中心頻率為f０n（n=０,1，２，３，…）帶寬為B的帶通信號(hào)均可以用同樣的采樣頻率fs=2B對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，這些采樣均能表示位于不同頻段（中心頻率不同）的原信號(hào)ｘ0(t），x1(ｔ）,ｘ２（t）……３。5ADC的選型A／Ｄ轉(zhuǎn)換器的選擇是至關(guān)重要的。依據(jù)參數(shù)所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能確保模擬信號(hào)在數(shù)字位流中被精準(zhǔn)地表示，并供應(yīng)一個(gè)具有任何必需的數(shù)字信號(hào)處理功能的平滑接口，這一點(diǎn)很重要.３.5.1選型參數(shù)對(duì)終端系統(tǒng)要求的清楚了解將簡(jiǎn)化A／D轉(zhuǎn)換器的選擇過(guò)程。在某些場(chǎng)合,它可以把所需考慮的選擇參數(shù)限制為屈指可數(shù)的幾個(gè).在選擇高速A／D轉(zhuǎn)換器時(shí),設(shè)計(jì)師必須考慮下面幾個(gè)因素：?●終端系統(tǒng)的要求?●成本?●分辨率或精度?●速度

●性能速度與分辨率的關(guān)系：(１)目前的高速A/D最初是按速度和分辨率進(jìn)行分類(lèi)的。轉(zhuǎn)換器的速度是指Ａ／D能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換的取樣速率或每秒的取樣數(shù)量.對(duì)于高速A/Ｄ來(lái)說(shuō)，速度以百萬(wàn)取樣每秒(Mｓpｓ）為計(jì)量單位.（2)分辨率是指轉(zhuǎn)換器能夠復(fù)制的位數(shù)精度:分辨率越高，則結(jié)果越精確。分辨率以位來(lái)計(jì)量。目前市場(chǎng)上的高速A／D的分辨率為8~１6位,速度為２～４Gsｐs.速度和分辨率始終是一對(duì)沖突。分辨率的增加通常會(huì)導(dǎo)致可實(shí)現(xiàn)速度的降低。一旦確定了合適的速度/分辨率組合，設(shè)計(jì)師仍然能夠從市場(chǎng)上的幾百種Ａ/Ｄ中選出最合適的一個(gè)。對(duì)終端應(yīng)用更為深化的了解將揭示對(duì)附加性能的要求。用于評(píng)定高速A/D的最常用性能參數(shù)如下:?●信噪比（SＮR）?●信號(hào)與噪聲加失真之和之比（SＩＮAＤ）?●無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SＦDR）?●差分線性誤差（DNL或ＤLＥ）?●積分線性誤差(IＮL或ＩＬE）?●有效位數(shù)(ENOB）?●增益誤差

●功耗3.5．２選擇AＤC綜上所述,在本次設(shè)計(jì)中，本人選擇的高速ＡＤＣ為T(mén)ＬＣ5510。下面將簡(jiǎn)略介紹ＴLＣ５510的性能與使用方法。３。6高速ＡD轉(zhuǎn)換器ＴLC55103.6．１概述TLＣ５510是美國(guó)TＩ公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADＣ）,它是一種采納ＣMＯS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能供應(yīng)的最小采樣率為２０MSPS。由于ＴLＣ551０采納了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大削減了器件中比較器的數(shù)量,而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推舉工作條件下,ＴLC５510的功耗僅為1３0mW。由于TLC5５１０不僅具有高速的AＤ轉(zhuǎn)換功能，而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路,從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)；同時(shí),由于其內(nèi)部帶有了標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，因而可以從+5Ｖ的電源獲得2Ｖ滿(mǎn)刻度的基準(zhǔn)電壓。TLＣ5５１0可應(yīng)用于數(shù)字TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及QAM解調(diào)器等方面。3.６。2引腳說(shuō)明TLＣ5５１0為２4引腳,ＰＳＯP表貼封裝形式(NS)。其引腳排列如圖３－2所示,各引腳功能如下(圖3－3):AGNＤ：模擬信號(hào)地;ANAＬO(píng)GIＮ：模擬信號(hào)輸入端；CＬＫ:時(shí)鐘輸入端；DGND：數(shù)字信號(hào)地；D1—D8：數(shù)據(jù)輸出端口。D１為數(shù)據(jù)最低位，D８為最高位；／ＯＥ：輸出訪能端。當(dāng)OＥ為低時(shí)，D１—D8數(shù)據(jù)有效,當(dāng)OＥ為高時(shí)，D1-D8為高阻抗；ＶDＤA：模擬電路工作電源；ＶDＤD：數(shù)字電路工作電源;ＲEＦＴS:內(nèi)部參考電壓引出端之一，當(dāng)使用內(nèi)部電壓分壓器產(chǎn)生額定的２Ｖ基準(zhǔn)電壓時(shí),此端短路至ＲＥＦT端；REＦT：參考電壓引出端之二;RＥFB:參考電壓引出端之三;REFBS：內(nèi)部參考電壓引出端之四,當(dāng)使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)器產(chǎn)生額定的2V基準(zhǔn)電壓時(shí)，此端短路至ＲＥFＢ端.圖3－2ＴLＣ551０引腳排列圖３-3TＬC5510引腳功能３.６.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)TＬＣ５5１０的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3－4所示，由圖中可以看出：ＴＬC5５１０模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓分壓器、１套高4位采樣比較器、編碼器、鎖存器、2套低4位采樣比較器、編碼器和１個(gè)低4位鎖存器等電路。TLC55１0的外部時(shí)鐘信號(hào)CLK通過(guò)其內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生器可產(chǎn)生3路內(nèi)部時(shí)鐘,以驅(qū)動(dòng)3組采樣比較器?；鶞?zhǔn)電壓分壓器則可用來(lái)為這3組比較器供應(yīng)基準(zhǔn)電壓。輸出A/D信號(hào)的高4位由高4位編碼器直接供應(yīng)，而低4位的采樣數(shù)據(jù)則由兩個(gè)低４位的編碼器交替供應(yīng).圖3－4ＴLC5510內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.6．4工作過(guò)程TLC5510的工作時(shí)序見(jiàn)圖3－5。時(shí)鐘信號(hào)ＣＬＫ在每一個(gè)下降沿采集模擬輸入信號(hào).第Ｎ次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)２。５個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后,將送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。在工作時(shí)序的掌握下，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘周期的下降沿到來(lái)時(shí)，模擬輸入電壓將被采樣到高比較器塊和低比較器塊,高比較器塊在其次個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿最后確定高位數(shù)據(jù)，同時(shí)，低基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與高位數(shù)據(jù)相應(yīng)的電壓.低比較塊在第三個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿的最后確定低位數(shù)據(jù)。高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)在第四個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿進(jìn)行組合，這樣，第N次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)2。5個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后,便可送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。此時(shí)如果輸出訪能ＯＥ有效，則數(shù)據(jù)便可被送至8位數(shù)據(jù)總線上。由于CＬＫ的最大周期為５0ｎs,因此，ＴLC５510模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最小采樣速率可以達(dá)到２０MSＰS。圖3—5ＴＬC５５10讀寫(xiě)時(shí)序３。6。5外圍電路其說(shuō)明書(shū)中給出的標(biāo)配應(yīng)用外圍電路如下圖3－６:圖3-6TLC5５１0標(biāo)準(zhǔn)外圍電路在實(shí)際應(yīng)用中，接口電路會(huì)依據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)的轉(zhuǎn)變與調(diào)整，以適應(yīng)工作環(huán)境與目標(biāo)的要求。ＴLＣ５510可使用外部和內(nèi)部?jī)煞N基準(zhǔn)電壓連接方法。其中外部基準(zhǔn)電壓從引腳ＲEＦＴ和REFB接入,并應(yīng)滿(mǎn)意：VREFB+2Ｖ≤VREF≤ＶDDA0≤VREＦＢ≤VREFＢ－２Ｖ２Ｖ≤VRＥFT—VREFB≤５V對(duì)于從零電平開(kāi)頭的正極性模擬輸入電壓，ＲEFB應(yīng)當(dāng)連接到模擬地AGND。ＶREFT的范圍為２V～5Ｖ。如果要簡(jiǎn)化電路，可利用TLＣ55１0的內(nèi)部分壓電阻從模擬電源電壓VDＤA上取得基準(zhǔn)電壓。在此設(shè)計(jì)中,選用ＴLＣ５510的內(nèi)部基準(zhǔn)方式，同時(shí)，將RＥFＢS端與AGＮＤ，而將REFＴS與VＤＤＡ端相連,同時(shí)將REFBS短接至RＥＦB端,REＦＴＳ短接至ＲEFT端來(lái)獲得２V基準(zhǔn)電壓,如圖3—７：圖3-7TLC5510使用內(nèi)部基準(zhǔn)綜合上述,在本人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,在5V供電系統(tǒng)中也將使用ＴLC５510的內(nèi)部基準(zhǔn),并將其外圍接口電路設(shè)計(jì)為如下圖３-8:圖３—８ＴＬＣ５510外圍接口電路磁珠專(zhuān)用于抑制HYPEＲLIＮK”ｈｔtｐ：//bａｉke.bａｉdu．ｃｏm／vｉew/54338.htｍ”\ｔ＂＿ｂlaｎk＂信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有汲取靜電HYＰＥRLＩNK＂ｈｔtｐ：／/bａike．baｉdu。coｍ/vｉｅｗ／107４14.hｔm"\t”_blaｎk”脈沖的能力。磁珠是用來(lái)汲取超高頻信號(hào),象一些RF電路,PLＬ，HＹPERLINK"hｔtｐ：//bａiｋe.ｂaidu．cｏｍ/view/6９3７２2.hｔｍ"\t"_blank＂振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路（DDRSDRＡＭ,ＲＡMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠。圖中的ＦB１～ＦB3為高頻磁珠,模擬供電電源ＡVＤD經(jīng)FB1~FＢ3為三部分模擬電路供應(yīng)工作電流，以獲得更好的高頻去耦效果。C1~C７為7個(gè)0。1uＦ的瓷片電容,C8～C14為7個(gè)4．7ｕF的電解電容,它們的作用都是盡可能地消除干擾信號(hào).在對(duì)ＴＬC5５１０的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，有以下需要引起足夠注意：（１）為了削減系統(tǒng)噪聲，外部模擬和數(shù)字電路應(yīng)當(dāng)分離,并應(yīng)盡可能屏蔽。（2）由于TLC55１０芯片的ＡＧND和ＤＧND在內(nèi)部沒(méi)有連接,所以，這些引腳需要在外部進(jìn)行連接.為了使拾取到的噪聲最小,最好把隔開(kāi)的雙絞線電纜用于電源線。同時(shí),在印制電路板布局上還應(yīng)當(dāng)使用模擬和數(shù)字地平面。（3）ＶDＤA至AGND和VDDD至DＧND之間應(yīng)當(dāng)分別用1ｕＦ電容去耦,推舉使用陶瓷電容器。對(duì)于模擬和數(shù)字地，為了保證無(wú)固態(tài)噪聲的接地連接,試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)當(dāng)心。（４）VDDA、ＡＧND以及ANＡLＯGIN引腳應(yīng)當(dāng)與高頻引腳CLK和D0~D7隔離開(kāi)。在接電路時(shí)，ＡＧND的走線應(yīng)當(dāng)盡可能地放在ＡNＡLＯGIＮ走線的兩側(cè)以供屏蔽之用。（5）為了保證ＴＬC5510的工作性能，系統(tǒng)電源最好不要采納開(kāi)關(guān)電源.?4FIFO緩沖模塊設(shè)計(jì)緩沖模塊，是整個(gè)系統(tǒng)中的核心模塊,它是系統(tǒng)的中樞部分.利用緩沖是整個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)思想。由于微電子技術(shù)的飛速進(jìn)展,新一代FIＦＯ芯片容量越來(lái)越大，體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越廉價(jià)。作為一種新型大規(guī)模集成電路,FIFO芯片以其靈敏、便利、高效的特性,逐漸在高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以及多機(jī)處理系統(tǒng)中作為緩沖器件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。4.１FIFO存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介FIFＯ是英文FｉrstInＦｉrｓtOuｔ的縮寫(xiě),是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，沒(méi)有外部讀寫(xiě)地址線,但只能挨次寫(xiě)入、讀出數(shù)據(jù)，其內(nèi)部讀寫(xiě)指針自動(dòng)加1,不能決定讀取或?qū)懭肽硞€(gè)指定的地址。FIFO一般用于不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于單片F(xiàn)IFO來(lái)說(shuō)，主要有兩種結(jié)構(gòu)：觸發(fā)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)。觸發(fā)導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIＦＯ是由寄存器陣列構(gòu)成的,零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FＩFＯ是由具有讀和寫(xiě)地址指針的雙口ＲAM構(gòu)成,如圖4-1：圖4－1ＦIFO框圖4．2FIFＯ的選型４．２．1FＩFＯ的一些重要參數(shù)FIFＯ的寬度：ＴＨＥWIＤTH，指的是FIＦO一次讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)位。FIFＯ的深度:THEＤEEPＴＨ，指的是FIＦＯ可以存儲(chǔ)多少個(gè)N位的數(shù)據(jù)(如果寬度為N).滿(mǎn)標(biāo)志:FIＦO已滿(mǎn)或?qū)⒁獫M(mǎn)時(shí)由ＦＩＦO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIＦO的寫(xiě)操作連續(xù)向FIＦＯ中寫(xiě)數(shù)據(jù)而造成ＨYPＥＲLＩNK＂hｔｔp：//bａiｋｅ。baｉdｕ．cｏm／ｖiew/9845２．ｈtm"＼t"_blａnk＂溢出（ovｅrflow）?？諛?biāo)志:FIＦＯ已空或?qū)⒁諘r(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIFＯ的讀操作連續(xù)從FＩFＯ中讀出數(shù)據(jù)而造成無(wú)效數(shù)據(jù)的讀出（unｄｅrflow)。讀時(shí)鐘:讀操作所遵循的時(shí)鐘,在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)讀數(shù)據(jù)。寫(xiě)時(shí)鐘：寫(xiě)操作所遵循的時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù).讀指針:指向下一個(gè)讀出地址。讀完后自動(dòng)加1。寫(xiě)指針：指向下一個(gè)要寫(xiě)入的地址的,寫(xiě)完自動(dòng)加1。讀寫(xiě)指針其實(shí)就是讀寫(xiě)的地址，只不過(guò)這個(gè)地址不能任意選擇，而是連續(xù)的.4.２。2選擇型號(hào)依據(jù)ＦＩFO的一些重要參數(shù),及本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，現(xiàn)選擇芯片型號(hào)為AL422B,作為數(shù)據(jù)緩沖模塊的FＩFO器件.以下簡(jiǎn)略介紹這一芯片.4．3FＩFO存儲(chǔ)器AL4２2ＢＡL４２２Ｂ是一種視頻幀存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)容量為3８4k×8bits，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為先進(jìn)先出（FIFO），其接口格外簡(jiǎn)潔。下面來(lái)介紹它的性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。４．3．1概述AＬ422B是由AvｅrＬoｇｉｃ公司推出的存儲(chǔ)容量為３Ｍbits的視頻幀存儲(chǔ)器,由于目前1幀圖像信息通常包含64０×480或720×480個(gè)字節(jié),而市面上很多視頻存儲(chǔ)器由于容量有限只能存儲(chǔ)１場(chǎng)圖像信息,無(wú)法存儲(chǔ)１幀圖像信息。AL4２２B由于容量很大,可存儲(chǔ)１幀圖像的完整信息,其工作頻率達(dá)50MＨｚ。該芯片的主要特點(diǎn)如下:存儲(chǔ)體為384k×8ｂitsＦIＦO。支持ＶGA，CCＩR，NTSC，PAL和HDTV分辨率。（３）獨(dú)立的讀／寫(xiě)操作(可接受不同的I／O數(shù)據(jù)率）.（4)高速異步串行存取。(5)讀寫(xiě)時(shí)鐘周期為20nｓ。（６）存取時(shí)間為１5ｎs。（７)內(nèi)部ＤRＡＭ自行刷新數(shù)據(jù).(８)輸出訪能掌握。(9)工作電壓可為5Ｖ或3。３Ｖ。（１0)標(biāo)準(zhǔn)２8腳ＳOP封裝。4。３.2引腳說(shuō)明其ＳＯP封裝的２８引腳在芯片上排列方式如下圖4-2：圖4－2AＬ4２２B引腳排列其各引腳功能如下圖4－3：圖４-3ＡL422B引腳功能4。３．3使用方法初始化：上電后,分別給／WRST和／ＲRST各0.1mｓ的初始化脈沖，使AＬ422Ｂ初始化。復(fù)位操作：通常，復(fù)位信號(hào)可在任何時(shí)候給出而不應(yīng)考慮/WE,／RE及/OE的狀態(tài)，但是它們?nèi)匀灰獏⒄諘r(shí)鐘信號(hào)的輸入情況，使它們滿(mǎn)意建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。如果在禁止時(shí)鐘周期內(nèi)給出復(fù)位信號(hào),必必要等到允許周期到來(lái)后才會(huì)執(zhí)行復(fù)位操作。當(dāng)/WRＳT和/RRST均為低電平常,數(shù)據(jù)的輸入和輸出均從地址０開(kāi)頭.寫(xiě)操作:當(dāng)/ＷＥ為低電平常，在ＷＣK信號(hào)的上升沿,數(shù)據(jù)通過(guò)DI７—ＤI0寫(xiě)入到寫(xiě)寄存器,參照WＣＫ的輸入周期，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)須滿(mǎn)意建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。當(dāng)/WＥ為高電平常，寫(xiě)操作被禁止,寫(xiě)地址指針停在當(dāng)前位置上;當(dāng)/WE再次變?yōu)榈碗娖匠?，?xiě)地址指針從當(dāng)前位置開(kāi)頭。讀操作:當(dāng)／RE和／ＯE均為低電平常,在RCK信號(hào)的上升沿,數(shù)據(jù)由DＩ7—ＤI0輸出。當(dāng)/ＲE為高電平常，讀地址指針停在當(dāng)前位置上；當(dāng)／RE再次變?yōu)榈碗娖匠?讀地址指針從當(dāng)前位置開(kāi)頭。執(zhí)行讀操作時(shí),／OＥ須為低電平，如／OE為高電平，則數(shù)據(jù)輸出端均為高阻態(tài),且讀地址指針仍然同步加1./RＥ和／OＥ須參照ＲＣK的輸入周期，滿(mǎn)意建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。由于其全部的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的掌握系統(tǒng)完成，內(nèi)部功能框圖如圖４—4：圖4－4AL422B內(nèi)部功能框圖ＡL4２2B的工作時(shí)序圖：各時(shí)序如下圖４—５至圖4-11:圖4－５A(chǔ)L４22B時(shí)序圖，／WRST圖４—６ＡL4２2Ｂ時(shí)序圖，／RＲＳT圖4－7ＡL４２2Ｂ時(shí)序圖，／ＲE圖4—８AＬ４22B時(shí)序圖，/OＥ圖4－９AL4２2B時(shí)序圖,/WE圖4—10AL４2２B時(shí)序圖，/ＲE，/ＲRＳT圖4-11ＡL４22B時(shí)序圖，／ＷE,／WRSＴ4.３.4應(yīng)用范圍AL422B的應(yīng)用格外廣泛，主要有以下幾個(gè)方面:(1）多媒體系統(tǒng);(2)視頻捕獲系統(tǒng)；(3）視頻編輯系統(tǒng)；（４)掃描率轉(zhuǎn)換器；(5）電視畫(huà)中畫(huà);（6）時(shí)基校正；（7)幀同步器;（8）硬盤(pán)錄像機(jī);(9）通信系統(tǒng)中的緩沖器；(10)多畫(huà)面處理器。４。４．５注意事項(xiàng)以上介紹了視頻幀存儲(chǔ)器AL４2２B的性能特點(diǎn)及應(yīng)用情況。其實(shí)微處理器和AＬ４２2B的接口很簡(jiǎn)潔，通過(guò)編寫(xiě)軟件，供應(yīng)相應(yīng)的掌握信號(hào),便可將數(shù)字信號(hào)寫(xiě)入ＡＬ422B暫存，在需要時(shí)再讀出。使用該芯片時(shí)，必須注意以下兩點(diǎn)：建議在任何時(shí)候保持WCK和RCＫ的頻率至少為1MＨz，WＣK和RCK中頻率較高者將作為內(nèi)部DRＡM的刷新時(shí)鐘信號(hào)，因而ＷＣK和RＣK信號(hào)必須始終有；當(dāng)需要無(wú)規(guī)章的I/Ｏ操作時(shí),可利用/WE或／RE來(lái)掌握數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。（2）在/RRST信號(hào)的上升沿，／ＲＥ必須為高電平，不能為低電平。4。4。6接口電路數(shù)據(jù)輸出端DＯ0-DＯ7的外部負(fù)載電路如下圖4-1２:圖４-12AＬ4２2B的ＤO端外載供電端口VＤD、DEＣ的接口電路，在５V配置工作電壓及3．3Ｖ配置工作電壓下的外接負(fù)載分別如下圖4—１３和圖4－１４:圖4—１3AＬ４2２B供電端外載，5V電源圖４—１４AＬ422B供電端外載,3。3V電源整體參考接口電路如下圖４—15：圖4-15ＡL42２Ｂ參考接口電路由于本系統(tǒng)采納5V供電方式,所以供電端采納圖４-8－１接口方式；芯片上/WRＳＴ，／RＲSＴ，／WE，/OE，/RE端均由單片機(jī)掌握，讀、寫(xiě)時(shí)鐘不同步.?５串口模塊設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，之所以需要串口模塊，只是為了將FIFO模塊中緩沖存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)與PC機(jī)的串口傳送給PC,在顯示器上用軟件顯示十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入電腦硬盤(pán)（電腦上的一個(gè)。ＴXT文件）中。５。1串行通信基本知識(shí)5.1．1異步通信串行通信有兩種基本通信方式：異步通信和同步通信。在異步通信中,數(shù)據(jù)是一幀一幀(包括一個(gè)字符代碼或一字節(jié)數(shù)據(jù))傳送的,每幀都有完整的數(shù)據(jù)格式，如下圖５—１:圖5—1異步通信方式5。１.2ＭCS—51串行口的結(jié)構(gòu)MＣS－5１有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，可作為通用異步收發(fā)器ＵＡＲT，也可作為同步移位寄存器。它的幀格式有８位、１０位和1１位，可以設(shè)置為固定波特率和可變波特率,給使用者帶來(lái)很大的靈敏性。89C51通過(guò)引腳ＲＸD（P３。０，串行數(shù)據(jù)接收端）和引腳TXD（P3。1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界進(jìn)行通信。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖５—2所示,有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBＵＦ，它們占用同一地址99H，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù).發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)入:圖５-２串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖８9C5１串行口是可編程接口,對(duì)它初始化編程只用兩個(gè)掌握字分別寫(xiě)入特殊功能寄存器ＳCON（9８H，如下圖5-3所示)和電源掌握寄存器PCOＮ（８7Ｈ）即可。圖5－3串行口掌握寄存器SCOＮ5.289Ｃ51串行口的4種工作方式5．2.14種工作方式依據(jù)需要,89C5１串行口可以設(shè)置４種工作方式，可有８、1０、11位幀格式,方式的選擇由SM０、ＳM1實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹下要用到的工作方式1:串行口方式１——10位UARＴ方式１以1０位為一幀傳輸，設(shè)有1個(gè)起始位（0)，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位（1）。其幀格式如下圖５—４：圖５-４方式1幀格式方式1真正用于串行發(fā)送或接收,為10位通用異步接口。TＸD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，ＲXD引腳接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸波特率由T１的溢出率決定，可用程序設(shè)定。在接收時(shí),停止位進(jìn)入SCON的ＲB8。串行口方式1的發(fā)送和接收時(shí)序如圖5-5所示:圖5-5方式1發(fā)送和接收時(shí)序接收有效的兩個(gè)條件:（1）RＩ＝0。即上一幀數(shù)據(jù)接收完成時(shí),ＲI=１發(fā)出的中斷懇求已被響應(yīng),SBUＦ中數(shù)據(jù)已被取走。由軟件使RI＝0，以便供應(yīng)“接收ＳBＵF已空"的信息.（2）SM2=0或收到的停止位為1（方式1時(shí)，停止位進(jìn)入RB８）。滿(mǎn)意上述兩個(gè)條件，將接收到的數(shù)據(jù)裝入串行口的ＳBUF和RB８（RＢ8裝入停止位），并置位RI，通知CPU取數(shù)據(jù)；如果不滿(mǎn)意,接收到的數(shù)據(jù)不能裝入SＢUF,這意味著該幀信息將會(huì)丟失。５.２.2波特率的設(shè)定在串行通信中，要求收發(fā)雙方接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率必須全都。通過(guò)軟件對(duì)MCＳ—５1串行口編程可約定四種工作方式。其中，方式０和方式２的波特率是固定的;而方式1和方式３的波特率是可變的,由定時(shí)器T１的溢出率來(lái)決定（T1每秒溢出的次數(shù))。串行口的四種工作方式對(duì)應(yīng)著三種波特率。由于輸入的移位時(shí)鐘來(lái)源不同,因此，各種方式的波特率計(jì)算公式也不同.現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹方式1波特率的產(chǎn)生及計(jì)算方法。方式1和方式3的波特率：方式1和方式３的移位時(shí)鐘脈沖由定時(shí)器T1產(chǎn)生，如圖所示.因此，ＭＣS－5１串行口方式1和方式３的波特率由定時(shí)器T1的溢出率與SMOD值共同決定。即:方式1、方式３波特率≌（2ＳMOD/3２)×T1溢出率，如下圖5－６：圖5—6方式1、3波特率的產(chǎn)生其中，Ｔ１溢出速率取決于T1的計(jì)數(shù)速率（計(jì)數(shù)速率≌f(shuō)ｏｓc／1２)和T1預(yù)置的初值。其中,k為定時(shí)器Ｔ1的位數(shù)；定時(shí)器方式０，ｋ＝13；定時(shí)器方式1,k=１６；定時(shí)器方式2，k=8。5．３89C51與ＰC機(jī)間通信ＰＣ機(jī)與8９C51單片機(jī)最簡(jiǎn)潔的連接是零調(diào)制３線經(jīng)濟(jì)型，這是進(jìn)行全雙工通信所必須的最少數(shù)目的線路.由于89Ｃ51單片機(jī)輸入、輸出電平為T(mén)TL電平,而ＰC機(jī)配置的是RS－2３2Ｃ標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不全都，因此,要完成PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在采納ＭAX2３２芯片實(shí)現(xiàn)89C５１單片機(jī)與ＰC機(jī)的RS-２３2C標(biāo)準(zhǔn)接口通信.５.3．1MAX232芯片簡(jiǎn)介MＡX２32芯片是ＮAＸIＭ公司生產(chǎn)的，包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，適用于各種EIA-232C和V．2８／V．24的通信接口。MAＸ２3２芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的＋5Ｖ電源電壓變換成為RＳ-232C輸出電壓所需的±10V電壓。所以，采納此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需要單一的+5Ｖ電源就可以了。對(duì)于沒(méi)有±12V電源的場(chǎng)合，其適應(yīng)性更強(qiáng)。加之其價(jià)格適中，硬件接口簡(jiǎn)潔，所以被廣泛采納。MAＸ23２芯片的引腳結(jié)構(gòu)如下圖5—７所示，其典型工作電路如圖5-8所示：圖5－7MAX2３２引腳圖圖5-8MAX23２典型工作電路5。3．２MＡX232接口電路現(xiàn)從ＭAＸ２32芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。應(yīng)注意其發(fā)送、接收的引腳要對(duì)應(yīng)，如圖5－９所示：圖5-９MＡＸ232接口電路?６軟件模塊設(shè)計(jì)軟件模塊是驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力，硬件的強(qiáng)大功能只有在軟件的掌握下才能發(fā)揮作用.這里的軟件模塊設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)的編程，以掌握單片機(jī)發(fā)出系統(tǒng)各模塊的掌握信號(hào).6.１TLC5５10程序設(shè)計(jì)TLC55１０的時(shí)鐘(ＣLＫ)端使用1６ＭHz的有源晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào),所以只有/ＯＥ端需要使用單片機(jī)的I/O進(jìn)行掌握.／OE端的掌握格外簡(jiǎn)潔，只要給出低電平就可以使TLC５510連續(xù)地隨時(shí)鐘周期輸出轉(zhuǎn)換信號(hào):/**＊*＊*＊＊*TLC5510＊＊＊**＊**／ｓbitOE＝Ｐ1^1；//位定義ＯE端口為Ｐ1.1／＊**＊＊＊*＊＊ＴＬC5510＊**＊*＊＊*/ＯＥ＝0;/／使能輸出轉(zhuǎn)換信號(hào)／＊*＊＊＊*＊*＊TLC５510*＊*＊＊***/6。2ＡL42２B程序設(shè)計(jì)復(fù)位信號(hào)端／RRＳＴ和/WRST由單片機(jī)的一個(gè)Ｉ/O口掌握讀、寫(xiě)的同時(shí)復(fù)位。AL4２2B的寫(xiě)時(shí)鐘與TLC5510連到一起，以便輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)時(shí)采集,/WE端也與ＴLC５51０的／OＥ端全都(雖然這樣會(huì)有TＬＣ５5１0的延遲2．5個(gè)周期的無(wú)效信號(hào)）。讀時(shí)鐘由單片機(jī)產(chǎn)生，以適應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的低速環(huán)境，/ＲＥ和/OE也由單片機(jī)的一個(gè)Ｉ/O口掌握。由于AL４22Ｂ沒(méi)有全滿(mǎn)、半滿(mǎn)等信號(hào)輸出端,現(xiàn)只有依據(jù)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入速率及芯片本身容量大小推斷將滿(mǎn)的時(shí)間，如1６MHz的時(shí)鐘頻率下，寫(xiě)滿(mǎn)38４k×８ｂits的ＦＩFO所需時(shí)間為：(３８４×1024)/(１6×1０6）=0．024５76s=24。5７6mｓ。于是，只能在開(kāi)頭采集后延遲2４．576ms再關(guān)閉/ＷE端即可,如下圖6-１:圖６－1AL4２2B程序流程圖6。3串口程序設(shè)計(jì)使用UART串行口工作在方式1，由單片機(jī)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，選用波特率960０,定時(shí)器T１工作在方式2,如下圖6-2。串口編程時(shí)的注意事項(xiàng)：（１）若串行口接收數(shù)據(jù)，REＮ必須賦值為１；（２）TＩ和RI標(biāo)志，須由軟件清０。圖6—2串口程序流程圖?7實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果7。１硬件系統(tǒng)連接依據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的電路圖,連接好的硬件系統(tǒng)如下圖７—1所示的照片:圖7—1硬件系統(tǒng)照片圖中主要有五個(gè)部分,一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，兩個(gè)電路板,一個(gè)有源晶振（如圖7-２)，一個(gè)穩(wěn)壓源（如圖7—5).單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的芯片是ＳTＣ8９C５２,兩個(gè)電路板上一個(gè)是TＬＣ5510和AＬ422Ｂ兩塊芯片（如下圖７-３),一個(gè)是它們的外圍電路元器件接線（如下圖7—4).圖７-1中為一個(gè)有源晶振,標(biāo)準(zhǔn)晶振頻率為16MHｚ.圖７-3中，左邊的芯片為T(mén)ＬC５510,它是2４引腳的ＳOP封裝;右邊的芯片為AL4２2Ｂ，它是28引腳的ＳOP封裝。為了便于試驗(yàn),現(xiàn)分別使用一個(gè)28腳的SOＰ轉(zhuǎn)DIＰ插座，使它們排列在一塊電路板上，并使用杜邦線連接電路.圖7－4中,集成了磁珠、電容等各種元器件，以完成芯片的外圍電路連接。圖7-5中是實(shí)驗(yàn)所用的電壓源,都采納了實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)壓源，工作在５V電壓下。圖７－2有源晶振圖７－3雙芯片電路板圖7-4元器件電路板圖7-5穩(wěn)壓源７．２實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程要使幾個(gè)模塊連接而成的系統(tǒng)正常工作,就需要對(duì)各個(gè)模塊先分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與調(diào)試.整個(gè)調(diào)試過(guò)程十分簡(jiǎn)潔，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹下實(shí)驗(yàn)及調(diào)試的方法.7.２.１TＬC５510模塊實(shí)驗(yàn)對(duì)這一模塊的調(diào)試,即檢查T(mén)ＬC5510芯片的接線是否正確,工作是否正常，運(yùn)作是否按程序進(jìn)行,程序效果是否與預(yù)想的全都。此模塊實(shí)驗(yàn)的硬件電路如下圖７—6所示,實(shí)驗(yàn)方法,即把TLC５5１0的數(shù)據(jù)輸出端D1-D8接到單片機(jī)Ｐ０端，通過(guò)PＣ經(jīng)串口讀取P0口數(shù)據(jù)，看TLC5510的數(shù)據(jù)輸出是否正常。模擬信號(hào)的輸入可以先使用直流電壓源接入.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖７-7所示：圖7—6TLＣ５510實(shí)驗(yàn)圖7-7TLC55１0實(shí)驗(yàn)顯示結(jié)果7.2．2AL４22Ｂ模塊實(shí)驗(yàn)對(duì)這一塊模塊的實(shí)驗(yàn)，即檢查AL4２2B芯片的接線是否正確，工作是否正常,運(yùn)作是否按程序進(jìn)行,程序效果是否與預(yù)想的全都。實(shí)此模塊實(shí)驗(yàn)硬件電路如下圖7－8所示，實(shí)驗(yàn)方法,即把ＡL４22B的數(shù)據(jù)輸出端ＤO0—ＤO7接到單片機(jī)P0端，數(shù)據(jù)輸入端ＤI0—DI７接到單片機(jī)P3口，輸入特定的8位電平（如03H),再通過(guò)PＣ經(jīng)串口讀取P０口數(shù)據(jù)，看AＬ４22B的數(shù)據(jù)輸出是否與輸入全都。模擬信號(hào)的輸入可以先使用直流電壓源接入.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖７—9所示：圖7-8ＡＬ422B實(shí)驗(yàn)圖7-9AL422Ｂ實(shí)驗(yàn)顯示結(jié)果７。３系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)一系列簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，能初步得到一樣數(shù)據(jù)采集的成果，但由于本人水平有限,整個(gè)系統(tǒng)存在很多的缺點(diǎn)與難以實(shí)現(xiàn)的功能，需要在以后連續(xù)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn),在此需向?qū)Ρ救思囊院裢睦蠋焸冎乱郧敢狻Ｕ麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用到的實(shí)物(或?qū)嶒?yàn)環(huán)境）如下圖７－10所示,某次實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫降臄?shù)據(jù)被存入的。ＴＸT文件如下圖7-1１所示。圖7－10實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖7-11保存數(shù)據(jù)的文件?８結(jié)論隨著科技的進(jìn)展和應(yīng)用的推廣，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)意實(shí)時(shí)性要求的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)越來(lái)越成為一個(gè)趨勢(shì)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)、高速AD轉(zhuǎn)換器、FIＦO和UＡRT串口設(shè)計(jì)了一套滿(mǎn)意要求的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，它可以為一些需要數(shù)據(jù)采集處理的場(chǎng)合供應(yīng)肯定的硬件支持.總結(jié)全文，完成的主要工作如下：（1）針對(duì)高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的功能要求及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),提出了系統(tǒng)的組成框架，簡(jiǎn)略分析制定各部分的實(shí)現(xiàn)方案;（2)以高速ADC芯片ＴLC５51０為核心，完成了包含電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊單片機(jī)掌握模塊的高速數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路的設(shè)計(jì)與制作.由于本系統(tǒng)屬于數(shù)字模擬混合高速電路，為了降低電磁干擾,對(duì)去耦電容，地線的分離和數(shù)字電路與模擬電路的分割布局都做了細(xì)致的考慮;（3)對(duì)AＬ42２Ｂ芯片進(jìn)行簡(jiǎn)略的分析，討論了該芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了以該FIＦO為核心的包含電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、串口模塊的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)、處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與制作；（4）在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)序和規(guī)律掌握的單片機(jī)部分的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).（5）由于時(shí)間、水平和條件的限制，本系統(tǒng)還需要后續(xù)的測(cè)驗(yàn)與調(diào)試，在很多方面也還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。展望現(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),隨著現(xiàn)實(shí)對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的要求越來(lái)越高，隨著數(shù)據(jù)處理器的快速進(jìn)展，如更快、更強(qiáng)的DSP的消滅與應(yīng)用,隨著更新型、更穩(wěn)定的高速大容量非易失性存儲(chǔ)器的投入使用，將來(lái)的系統(tǒng)將向著速度更快、數(shù)據(jù)更精確、采集容量更大的方向進(jìn)展快速進(jìn)展。?附錄1系統(tǒng)C語(yǔ)言程序＃inｃlude<rｅg52．ｈ>ｔypedefunsiｇneｄcharｕｉnt８；tyｐedefunｓigｎedｉntuint1６；ｔｙpedeｆｕｎｓiｇnedlｏnguint32；ｕinｔ8byte；sbｉtＲST=P１^0;sbitＷE=P1^１;sbitRE=P１^2；sbｉtRＣＫ＝P１＾3；／/FＩFO讀時(shí)鐘接口/＊＊*＊＊＊＊非精確延