基于SPI总线的多路数据采集系统的设计

摘要：文中采用高精度AD芯片AD7891与C8051F040单片机组成高速数据采集系统，通过SPI总线，将AD7891与C8051F040直接连接，方便的实现了8路模拟量的高速采集和传输，并给出了SPI总线的接口电路及软件设计。
关键词：高精度；单片机；SPI；高速采集

随着微处理器的发展及其在各领域的广泛应用，人们对电子测量技术和电子仪器系统提出越来越高的要求，对测试速度和精确度的要求也与日俱增。测试系统主要包括对实时数据的高速采集、现场显示和分析处理3部分，其中最重要的一环就是实时数据高速采集，因为它关系到能否真实反映被测对象的状态和性能。根据实际项目需要，文中基于80C51F040单片机的SPI总线和AD7891芯片，设计实现了多路数据的高速采集。文中给出了系统的主要硬件电路和对时序控制的软件编程。

1 系统的硬件实现
本数据采集系统功能是能对多路电压和电流进行高速采集和分析处理，其要求精度高，线性度好，采集电压要求以1 mV为单位，模拟信号输入范围为-10～+10 V。系统处理芯片采用Silicon Laboratories公司出品的C8051F040单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与MCS-51完全兼容的指令内核，该系列单片机采用流水线处理(pipeline)技术不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高指令执行效率。而且大部分C8051F040单片机具备控制系统所需要的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS(与IC兼容)总线以及CAN总线。 C8051F系类单片机采用Flash ROM技术，集成JTAG，支持在线编程。C8051F系列单片机诸多特点和优越性，使其广受单片机系统设计工程师青昧，成为很多测控系统设计的首选机型。虽然C8051F040内部提供A／D转换器，但在实时高速采集中易受干扰，性噪比比较低，A／D转换速度不能满足高速数据采集系统的要求，为了满足系统的指标、提高数据的精确性采样和系统的抗干扰能力，本数据采集系统根据实际情况采用外扩的A／D转换芯片。
本数据采集系统采用的A／D芯片是美国ADI公司推出的一种AD7891 12位数据采集系统(DAS)，它具有并行和串行两种工作模式，适合各种微处理器、控制器以及数字信号处理机接口。AD7891内含有多路转换器、采样保持放大器、12位高速ADC、+2．5 V基准电压源和高速接口电路，并有8个具有过压保护的模拟信号通道，AD7891-1可承受的过压为±17 V。AD7891的模数转换时间是1．6μs，采样时间为1．4μs。当只对一个通道信号采样时，采样率为500 kSPS；当对8个通道信号逐个采样时，采样率为62．5 kSPS，AD7891-1使用硬件或软件方法控制转换开始得数据采样时间分别为0．6μs和0．7μs，相应的数据采集率分别为454．5 kSPS和435 kSPS。AD7891采用单电源工作，功耗低，可选择输入信号的范围，也可并行或串行工作，非常适合用于数据采集系统、电机控制、移动通信系统和测试设备等方面的应用。AD7891管脚功能说明如表1所示。