基于AVR的多通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計

潘 宇

(白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城137000)

提出了一種基于AVR的多通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案以ATmega32為控制核心，以AD7705為采集芯片，以MAX4638為核心的多通道模擬量采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對32路模擬量通道信號采集。可以有效構(gòu)建靈活的測量系統(tǒng)，提高工作效率，該設(shè)計將具有良好的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705、Atmega32處理器，MAX4638多通道模擬量采集器等幾部分組成。從前端到后端依次經(jīng)過模擬量采集器MAX4638→AD7705→ATmega32等幾個處理過程。實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 嵌入式單片機ATmega32

ATmega32是Atmel公司生產(chǎn)的具有32 kB系統(tǒng)，內(nèi)可編程Flash的8位AVR微控制器。它具有高性能、低功耗，先進的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32個8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時性能高達16 MI·s－1，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作1 024 Byte的EEPROM。支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程，具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，4通道PWM，8路10位ADC［1］。

ATmega32是主控電路，其主要是控制和數(shù)據(jù)處理功能，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，由主控電路來進行讀取和處理。ATmega32控制AD7705以完成數(shù)據(jù)的采集，主要是利用其SPI接口對AD7705進行各種初始化配置，控制A/D轉(zhuǎn)換并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705

AD7705具有兩個模擬輸入通道，利用∑－Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。模擬調(diào)制器具有增益可編程功能，片內(nèi)設(shè)有數(shù)字濾波器、處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點和輸出更新速率。是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品，其串行接口可配置為3線方式。增益值、信號極性以及更新速率的選擇都可通過串口由軟件來設(shè)置。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準功能以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差［2］。

圖2 AD7705外圍電路原理圖

2.3 多路器芯片MAX4638

MAX4638是單一8∶1和4∶1雙CMOS模擬多路復(fù)用器。采用+5 V單電源供電，并有75 dB的關(guān)斷隔離和－85 dB的串?dāng)_，從輸出到每個關(guān)閉通道的開關(guān)時間為18 ns和7 ns。這些器件具有雙向操作，可以處理軌到軌模擬信號。所有的控制輸入與TTL/CMOS邏輯兼容。解碼是標準的BCD格式，和一個使能輸入被提供到簡化器件的級聯(lián)中［3］。

MAX4638是A/D轉(zhuǎn)換芯片的前端信號調(diào)理器，為降低信號間的互相干擾，使測量的數(shù)據(jù)更加精確，在設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換模塊的前端采用信號調(diào)理電路對信號進行預(yù)處理。能將采集的各種模擬信號按照不同的方式，自動切換傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)高精度的多路模擬轉(zhuǎn)換［4－5］。

3 系統(tǒng)的的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)組成包括4個子模塊:SPI初始化模塊、MAX4638模塊、AD7705驅(qū)動模塊和定時器模塊。首先MAX4638將采集到的多路模擬量解碼成標準的BCD碼，通過ATmega32的SPI接口驅(qū)動AD7705通道設(shè)置、時鐘設(shè)置、更新速率以及校準模式等。對AD7705的配置任務(wù)是:注意讀寫寄存器之前必須先選擇要操作的寄存器，然后啟動ATmega32的定時器，在定時器中斷函數(shù)中查詢AD7705的狀態(tài)，如轉(zhuǎn)換完成則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)等待直到轉(zhuǎn)換完成，如此不斷讀出所需的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文介紹了以嵌入式單片機ATmega32為核心的多通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計，實驗實現(xiàn)了32路模擬量的轉(zhuǎn)換，并且設(shè)計中所用的芯片、儀器相對簡單，成本較低，從而為多路模擬信號的采集提供了一種有效的方法，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 姚國國，李寶森，王景賢.基于SOPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子科技，2008(10):68－71.

［2］ 王寅超，鄭正奇.基于FPGA和USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2011(23):163－165.

［3］ 付蔚，劉鋒，王平.基于EPA的多通道模擬量采集儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(9):21－23.

［4］ 閆瑞，李海香，郝瑞霞.基于ATmega16de AD7705多通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.化工自動化及儀表，2011(4):466－468.

［5］ 季曉松，李正生.一種高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(1):153－156.