基于TLC549的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要測量和控制的參數(shù)往往都是連續(xù)變化的模擬信號，如溫度，壓力，流量，速度等。這些物理量和控制參數(shù)往往都是連續(xù)變化的電壓和電流，因此，必須將其變換成數(shù)字量（即需經(jīng)模，數(shù)轉(zhuǎn)換），才能被數(shù)字計(jì)算機(jī)所識別。這些數(shù)字量在計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)過運(yùn)算處理，可以得到一個(gè)數(shù)字形式的控制量，將這些控制量經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，變成模擬電壓或電流信號，再送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。

1 TLC549的主要特點(diǎn)和工作原理

l.l TLC549的主要特點(diǎn)

TLC549是采用IinCMOSTM技術(shù)并以開關(guān)電容逐次逼近原理工作的8位串行A／D7芯片，可與通用微處理器、控制器通過I／O CLOCK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。TLC549具有4MHz的片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長為17μs，允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/s�？偸д{(diào)誤差最大為±0．5LSB，典型功耗值為6 mW。TLC549采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，由于其VREF-接地時(shí)，(VREF+)-(VREF-)≥1 V，故可用于較小信號的采樣，此外，該芯片還單電源3～6v的供電范圍�？傊�，TLC549具有控制口線少，時(shí)序簡單，轉(zhuǎn)換速度快，功耗低，價(jià)格便宜等特

點(diǎn)，適用于低功耗袖珍儀器上的單路A/D采樣，也可將多個(gè)器件并聯(lián)使用。TLC549的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和管腳名稱如圖1所示。

1.2 TLC549的極限參數(shù),

TLC549的極限參數(shù)如下：

◇電源電壓：6．5 V：

◇輸入電壓范圍：0.3V～VCC：+o.3V：

◇輸出電壓范圍：0.3V～VCC：+0．3 V；

◇峰值輸入電流（任一輸人端）：±10 mA；

◇峰值輸人電流(所有輸入端)：±30mA

◇工作溫度：TLC549C：0℃～70~C

◇TLC549I：-40℃～85℃

◇TLC549M．-55"C～125℃

1.3 TLC549芯片的工作原理

TLC549帶有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I／OCLOCK是獨(dú)立工作的，無需特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸DATA OUT端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)I／O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLc549時(shí)，共用I／OcLOCK，以減少多路(片)A／D使用時(shí)的I／O控制端口。一組通常的控制時(shí)序操作如下：

(I)將Cs置低，內(nèi)部電路在測得CS下降沿后，在等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后，再確認(rèn)這一變化，最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATAOUT端；

(2)在前四個(gè)I／O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個(gè)位(D6，D5，D4，D3)，片上采樣保持電路在第4個(gè)I／O CLOCK下降沿開始采樣模擬輔人：

(3)接下來的3個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿可移出第6、7、8(D2，D1，D0)各轉(zhuǎn)換位；(4)最后，片上采樣保持電路在第8個(gè)I／OCLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2，D1，D0）各轉(zhuǎn)換位。然后使保持功能持續(xù)4個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期，接著開始進(jìn)行32個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的A／D轉(zhuǎn)換。在第8個(gè)I／O cLCOK后,CS必須為高或I／O LOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時(shí)，I／O CLOCK上出現(xiàn)一個(gè)有效干擾脈沖，則微處理器，控制器將與器件的I／O時(shí)序失去同步；而在cs為高時(shí)若出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過程。在36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期結(jié)束之前，實(shí)施步驟(1)～(4)，可重新啟動(dòng)一次新的A／D轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換將終止。但應(yīng)注意，此時(shí)的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時(shí)刻采樣模擬信號，則應(yīng)使第8個(gè)I／O CLOCK時(shí)鐘的下降沿與該時(shí)刻對應(yīng)。因?yàn)樾酒�雖在第4個(gè)I／O CLOCK時(shí)鐘的下降沿開始采樣，卻在第8個(gè)I／O CLOCK的下降沿才開始保存。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以8位A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC549為核心部件。它適臺完成單通道8位轉(zhuǎn)換，即比較適合在速度要求不高時(shí)，組成一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC549芯片可以方便地與具有外圍串行接口(SPI)的單片機(jī)連接使用。按照TC549嚴(yán)格的時(shí)序，它在完成A/D轉(zhuǎn)換后，其串行輸出的A0～A7二進(jìn)制數(shù)據(jù)可由時(shí)序控制，并串行輸出到申入并出的移位寄存器。將該寄存器的8位數(shù)據(jù)與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連，即可完成效據(jù)傳遞。由此設(shè)計(jì)的基于TLC549的數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

將圖2中的J9與單片機(jī)相連接，就能實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的通信和控制。對于該電路，可從端口ADS輸入外部模擬信號，而端口ADCVREF則可與圖3所示的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源電路相連。這樣，TLC549轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)就可以由單片機(jī)直接通過讀結(jié)果程序讀出，而不需要其他相關(guān)硬件支持，因而可以節(jié)約硬件資源，同時(shí)也可簡化電路的拓展。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法很多。本文給出了在MAXPLUSIl2SE25型EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法。TLC549在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)主板上已提供了試驗(yàn)環(huán)境，并已分配了輸入和輸出相關(guān)引腳。其引腳信號說明及主板、下載板的連接關(guān)系如下：

◇引腳1，REF+：輸入，電壓為+2 5 v基準(zhǔn)電壓：

◇引腳2，ANALOGIN：輸人，信號輸人，由主板上的JK3輸人0～+2.5V電壓：

◇引腳3，REF-：輸人，負(fù)基準(zhǔn)電壓，接主板地：

◇引腳4，GND：輸人，地，接主板地；

◇引腳5，CS：輸入，片選，轉(zhuǎn)換及輸出控制接下載板L11；

◇引腳6，DATAOUT：輸出，串行移位數(shù)據(jù)，接下載板L10；

◇引腳7，I/O cLOCK：輸人，串行移位脈沖，接下載板L9；

◇引腳8，VCC：輸入，電源，接主板電源。

完成設(shè)計(jì)并鎖定管腳后，再進(jìn)行以下操作：

（1）將短路帽插在JU9插座上：

（2）將主板上部中央的插座JPl中的“L9～L16”位置短路帽取下；

（3）將主板上CP1的短路帽插在lHz、2Hz、4Hk、1024Hz、4096Hz、32768Hz，6檔中的任一檔頻率上；

(4)模擬電壓應(yīng)由主板上的Wl獲得，調(diào)節(jié)w1可獲得0～+2.5 v的電壓，或通過JK3外接直流來調(diào)整0～+2.5 v電源。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)一次主板上的K1開關(guān)，則可完成一次AD轉(zhuǎn)換，8位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值由L8、

L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1指示，亮者為“l”。不亮者為“0”，L8為MSB位。L1為LSB位。

4 結(jié)束語

本論文在分析了TLC549芯片的主要參數(shù)和工作原理的基礎(chǔ)上，采用簡單而實(shí)用的硬件電路設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分利用了TLC549便于和具有外圍串行接口的單片機(jī)相連的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使系統(tǒng)在準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)采集的前提下，又能有效節(jié)約硬件資源，同時(shí)系統(tǒng)也易于拓展。然而，本文只就數(shù)據(jù)采集這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了部分研究。其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善以及系統(tǒng)應(yīng)用上存在不足之處，還有待于進(jìn)一步的探究。

作者：楊來俠，萬建軍（西安科技大學(xué)，710054） 來源：電子元器件應(yīng)用