1 引言

C8051F系列單片機是美國Silabs公司生產的系統級芯片（SOC），它具有與8051兼容的高速CIP-51內核，指令系統與MCS-51指令集完全兼容，并可使用標準803×805X匯編器和編譯器進行軟件開發^[1]。C8051F061片內除了具有標準8051數字外設之外，還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和數字外設或功能部件。這些外設或功能部件包括256Byte的SRAM、4K的DRAM、64K的FLASH、2個16位ADC、1個10位ADC、2個12位DAC、3個模擬輸入電壓比較器、溫度傳感器、SMBUS、UART、SPI、定時器、可編程計數器、定時器陣列、數字I/O端口、電源監視器、看門狗和時鐘振蕩器等。

本文討論的采集系統應用于10路傳感器信號的采集，測試中各路信號的最高采樣頻率可達到48.25kHz，并且可通過軟件調節。

2 采集系統的硬件

2.1 濾波模塊的硬件設計

由于所采集的信號頻率在5kHz以下，為了減少噪聲，采用了MAX291進行硬件濾波。具體的連接如下圖1所示。MAX291的濾波實現有外時鐘和內時鐘兩種方式，內時鐘方式電路簡單，使用方便，所以筆者采用內時鐘方式^[2]。

根據MAX291的工作原理，其濾波的頻率取值可由下面的公式確定：

其中 為MAX291的時鐘頻率，電容 給MAX291提供內時鐘。筆者根據自己的實際需要，將 取63pF,此時時鐘頻率為0.529MHz,轉折頻率為5.29kHz。

另外，考慮到本系統是多路采集系統，為保持相位一致性，選用同一個電容來提供內時鐘，以確保這幾路濾波器同時使用一個外部時鐘源。

圖1 MAX291的濾波原理圖

2.2 C8051F061的供電電源設計

供電電壓的性能對整個采集系統的精度具有重要的意義。一般說來，描述采集質量高低的指標是采樣精度和有效位，設采樣精度為 ，有效位為 N，基準電壓為 ，基準電壓噪聲電壓為 ，則有以下公式：

為了盡可能的提高采樣精度，選取 ，則 。由于系統的采樣精度取決于基準電壓的噪聲電壓大小，C8051F061提供的內基準噪聲電壓和器件模擬供電部分的噪聲電壓基本相當，所以應當保證 。另外，在C8051F061的外圍電路設計中，考慮選取獨立的電源芯片單獨供電，同時在布局和走線上注意一些基本規則，確保獲得較高的采樣精度^[3]。

考慮到C8051F061的功耗比較大，一般的電壓基準芯片難以滿足要求，最后模擬供電部分采用了TI公司的脈寬可調芯片TPS54310PWP，該芯片的優點是輸出電流大，超過3A的輸出電流；輸出電壓精度高，其誤差在1%的范圍之內；噪聲低，且抗干擾能力強，在復雜電磁環境下進行測量，其輸出噪聲電壓低于 ^[4]。

圖2 TPS54310PWP的設計原理圖

2.3 多路選擇和采集模塊的硬件設計

2.3.1 多路選擇芯片ADG706的介紹

ADG706是美國Analog Device 公司生產的16路模擬輸入信號選擇芯片，其信號選擇管腳為A0、A1、A2、A3，通過A3A2A1A0組成不同的數字組合，可以選通16路模擬輸入中的其中1路^[5]。

在本系統的設計中，通過軟件設置A3A2A1A0為10進制的加法計數器，在一個計數周期內，依次選擇10路模擬輸入信號。

2.3.2 ADG706和C8051F061的接口設計

采集模塊的設計思想是：通過C8051F061通用P1口的高4位控制ADG706的信號選擇管腳A3A2A1A0，依次選擇1路模擬輸入作為C8051F061單片機1個16位ADC的輸入信號。

具有M 路模擬輸入信號的采集系統最高采樣頻率 可由以下公式來計算：

其中 為C8051F061單片機ADC的采樣速率， 為各路模擬輸入信號的最高采樣速率。

在實際的數據采集中， 可以通過以下兩種方法來改變：

⑴ 軟件編程改變 。C8051F系列單片機的ADC采樣速率都是可以通過軟件編程來改變的，設置C8051F061內ADC采樣速率的方法是通過配置寄存器ADCxCF（x為0或1）的位7~3來進行的，其復位值為1111（位7~3=SYSCLK/CLKSAR-1）。需要注意的是在軟件編程設置ADC時至少需要16個系統時鐘，一般在設置程序前加上3個系統時鐘，保證跟蹤/保持捕獲時間 。

⑵ 軟件編程改變 。改變 其實就是改變ADG706的A3A2A1A0所組成計數器的計數值，即改變一個計數周期內選擇的模擬信號輸入路數。

為了保證采樣精度，以下幾點需要注意：

⑴ 模擬電壓和數字電壓的區分和連接。由于C8051F061是3.3V供電，所以除了傳感器的基準電壓AVDD需接5V外，其余的數字電壓BVDD需要接3.3V。

⑵ 模擬地和數字地要區分。本系統既有模擬地，又有數字地，所以需要對它們正確進行區分，PCB布線時，需要注意模擬部分和數字部分要分開，多層板設計中采用電源平面和地平面分割的方法。

⑶ 使用內部參考時，內部參考電壓的走線要盡可能短，以減少其它信號對它的干擾。從減少信號干擾的角度看，內部參考電壓最好接104和106并聯構成的電容。

⑷ 在PCB板布線中，由于AD采用的是精度較高的16位ADC，最好布四層板。

圖3 ADG706和C8051F061的接口電路圖

3 結語

本文的創新點是從工程應用的角度闡述典型的多通道高速數據采集系統的實現，并恰當地選用該領域的合適器件來實現數據采集系統的高性能、小體積和低功耗。因此，本文所述的方法具有很強的典型性。根據本文所述方法設計的數據采集系統已經在實際中獲得應用，運行穩定，采集效果良好。

參考文獻：

[1] 張春雷，王東興. uC/OS-II在C8051F020單片機上的移植. 微計算機信息[J]. 2006.2-2 P95-97

[2] MAXIM公司. MAX291數據手冊[Z]. 美國：MAXIM公司，1996

[3] 喻小虎，徐欣，黃勇杰. 高精度A/D轉換芯片ADS8364在數據采集系統中的應用. 機電車傳動[J]. 2005.11

[4] TI公司. TPS54310PWP數據手冊[Z]. 美國：TI公司，2002

[5] Analog Device公司. ADG706數據手冊[Z]. 美國：Analog Device公司，2002