基于单片机数据采集及传输系统的研究

２００８年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

基于单片机数据采集及传输系统的研究

何志明

（重庆三峡职业学院，重庆万州４０４０００）

摘要：以ＧＭＳ９７Ｃ２０５１单片机为核心，采用ＴＬＣ２５４３１２位串行Ａ／Ｄ转换器构成采样模块，采样数据由单片机串口经电平转换器ＭＡＸ３２３２进行电平转换后送到上位机的串口ＣＯＭ１或ＣＯＭ２，形成串行数据采集及传输方式，具有一定的实用价值。

关键词：ＧＭＳ９７Ｃ２０５１单片机；Ａ／Ｄ转换器；电平转换器；数据采集传输中图分类号：ＴＰ３９

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－００６７（２００８）０３－０１００－０３

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。

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ＧＭＳ９７Ｃ２０５１单片机为核心，采用ＴＬＣ２５４３１２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（ＩＢＭＰＣ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。

主要器件介绍

模块采用ＴＩ公司的ＴＬＣ２５４３１２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；双极性输出；（８）具有单、

（９）可编程的ＭＳＢ或ＬＳＢ前导；（１０）可编程的输出数据长度。

１．２ＧＭＳ９７Ｃ２０５１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

１．１ＴＬＣ２５４３串行Ａ／Ｄ转换器

图１ＴＬＣ２５４３引脚图２ＧＭ５９７ｃ２０５１引脚

１．３ＭＡＸ３２３２电平转换器

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，引脚

排列如图３所示。

图３ＭＡＸ３２３２引脚图

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

收稿日期：２００８－０４－３０

作者简介：何志明（１９６７—），男，重庆市人，重庆三峡职业学院自动化与信息工程系，高级讲师，研究方向：单片机开发与应用。

１０１２

硬件设计

硬件电路如图４所示。

重庆职业技术学院学报

ＩＮＣＲ０ＭＯＶ＠ＲＯ，Ｒ３ＩＮＣＲ０

…………其他通道操作方式类推

第１７卷

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。

图４串行系统／传输电路原理图

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

ＣＬＫＥＱＵＰ３．３ＤＩＮＥＱＵＤＯＵＴＥＱＵＣＳＲＤ＿ＡＤ：

ＣＬＲＣＬＫ；清Ｉ／Ｏ时钟ＳＥＴＢＣＳ；设置片选为高ＣＬＲ

ＣＳ；设置片选为低

ＭＯＶＲ４，＃０８；先读高８位

ＭＯＶＡ，Ｒ１；把方式／通道控制字放到ＡＬＯＰ１：

ＭＯＶＣ，ＤＯＵＴ；读转换结果

ＲＬＣＡ；Ａ寄存器左移，移入结果数据位，移出方式／

通道控制位

Ｐ３．４Ｐ３．５Ｐ３．７

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。

ＥＱＵ

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。

ＭＯＶＤＩＮ，Ｃ；输出方式／通道位ＳＥＴＢＣＬＫ；设置Ｉ／Ｏ时钟为高ＣＬＲＭＯＶ

ＣＬＫ；清Ｉ／Ｏ时钟

Ｒ２，Ａ；转换结果的高８位放到Ｒ２中

ＤＪＮＺＲ４，ＬＯＰ１；Ｒ４不为０，则返回ＬＯＰ１ＭＯＶＡ，＃００Ｈ；复位Ａ寄存器ＭＯＶＲ４，＃０４；再读低４位ＬＯＰ２：

ＭＯＶＣ，ＤＯＵＴ；读转换结果

ＲＬＣＡ；Ａ寄存器左移，移入结果数据位ＳＥＴＢＣＬＫ；设置Ｉ／Ｏ时钟为高ＣＬＲＣＬＫ；清Ｉ／Ｏ时钟

ＤＪＮＺＲ４，ＬＯＰ２；Ｒ４不为０，则返回ＬＯＰ２ＭＯＶＲ３，Ａ；转换结果的低４位放到Ｒ３中ＳＥＴＢＣＳ；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。

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：

ＭＯＶＲ０，＃３０Ｈ；数据缓冲区首地址３０Ｈ→Ｒ０ＭＯＶＲ１，＃００００００００Ｂ；０通道方式／通道数据ＡＣＡＬＬＲＤ＿ＡＤ；第一次读取的转换结果可能不准

确，丢弃。

ＭＯＶＲ１，＃０００１００００Ｂ；１通道方式／通道数据ＡＣＡＬＬＲＤ＿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ＩＮＣＲ０ＭＯＶ＠Ｒ０，Ｒ３ＩＮＣＲ０

ＭＯＶＲ１，＃００１０００００Ｂ；２通道方式／通道数据ＡＣＡＬＬＲＤ＿ＡＤ；送２通道方式／通道数据并读第１

通道转换结果

ＩＮＩＴ＿ＣＯＭ：

ＭＯＶＳＣＯＮ，＃５０Ｈ；串口方式１工作，８位数据位，１

位停止位，无奇偶校验

ＭＯＶＰＣＯＮ，＃８０Ｈ；ＳＭＯＤ＝１，波特率增倍

ＭＯＶＴＭＯＤ，＃２０Ｈ；波特率设置，ｆＯＳＣ＝１２ＭＨｚ，波特

率＝２＊２４００，Ｎ＝０Ｆ３Ｈ

ＭＯＶ＠Ｒ０，Ｒ２

第３期

ＭＯＶＴＨ１，＃０Ｆ３ＨＭＯＶＴＬ１，＃０Ｆ３ＨＳＥＴＢＴＲ１；启动定时器Ｔ１ＲＥＴＲＳ２３２：

何志明：基于单片机数据采集及传输系统的研究１０２

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＊／

｝

ｖｏｉｄｒｅｃｅｉｖｅ＿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，

ＴＩ，ＣＯＮＴ；判断发送中断标志，是１则转到

则等待＊／

ＭＯＶＲ０，＃３０Ｈ；缓冲区首地址３０Ｈ→Ｒ０ＭＯＶＲ５，＃２２；发送数据长度→Ｒ５，１１＊２＝２２ＬＯＯＰ：

ＭＯＶＡ，＠Ｒ０；取数据→ＡＭＯＶＳＢＵＦ，Ａ；数据→ＳＢＵＦＷＡＩＴ：

ＪＢＣＣＯＮＴ，并清ＴＩ

ＳＪＭＰＷＡＩＴＣＯＮＴ：

ＩＮＣＲ０ＤＪＮＺＲ５，ＬＯＯＰＲＥＴ４

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：

ｐｒｉｎｔｆ（＂％ｘ＂，ｉｎｐｏｒｔｂ（０ｘ３ｆ８））；／＊读取结果并显示＊／｝ｇｅｔｃｈ（）；｝５

结束语

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。参考文献：

［１］胡汉才．单片机原理及系统设计［Ｍ］．北京：清华大学出版

社，２００４．

［２］马忠梅，籍顺心，张凯．单片机的Ｃ语言应用程序设计［Ｍ］．

北京：北京航空航天大学出版社，２００１．

［３］张义红．单片机与ＴＬＣ２５４３模数转换器的接口设计［Ｊ］．湖南

理工学院学报（自然科学版），２００５（２）：７９￣８２．

［４］许智榜，石晓瑛．基于ＡＴ９０Ｓ８５１５和ＵＳＢ接口数据采集系

统［Ｊ］．微计算机信息，２００５（４）：１２８￣１３１．

ｖｏｉｄｉｎｉｔ＿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＊／

责任编辑李燕

ＢａｓｅｄｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳＣＭＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

ＨＥＺｈｉｍｉｎｇ

（ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＷａｎｚｈｏｕＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧＭＳ９７Ｃ２０５１ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｓｔｈｅｃｏｒｅ，ｕｓｉｎｇＴＬＣ２５４３１２ｓｅｒｉａｌＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒｍｏｄｕｌｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓａｍｐｌｉｎｇ，ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔＭＣＵｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒＭＡＸ３２３２ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｌｅｖｅｌｔｈｅｓｅｒｉｅｓｔｏＰＣＩＣＯＭ１ｏｒＣＯＭ２，ａｎｄａｓｅｒｉａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｈａｖｅｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＭＳ９７Ｃ２０５１ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ａ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ