基于51單片機(jī)的高速測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石坤+鄭毅

摘 要：在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)過(guò)程中，給出了一種創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)案例——基于51單片機(jī)的高速測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由P89C51RB2單片機(jī)、TLC5510A/D轉(zhuǎn)換器和TLC7528D/A轉(zhuǎn)換器等器件組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件和硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)制作的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試及分析。通過(guò)該創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅能掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，而且學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也得到提升。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；測(cè)控

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分，旨在探索并建立以問(wèn)題和課題為核心的教學(xué)模式，改變目前高等教育培養(yǎng)過(guò)程中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，動(dòng)手能力不強(qiáng)的現(xiàn)狀，推廣研究性學(xué)習(xí)和個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，逐漸掌握思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，提高其創(chuàng)新實(shí)踐的能力[1]。

基于51單片機(jī)的高速測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)后開(kāi)展的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自主進(jìn)行具有一定研究性的學(xué)習(xí)，以幫助學(xué)生更深層次理解單片機(jī)的原理與設(shè)計(jì)方法。該高速測(cè)控系統(tǒng)正是基于以上因素設(shè)計(jì)的，它主要由A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510、P89C51RB2單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528組成[2]。

1 高速測(cè)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

高速測(cè)控系統(tǒng)硬件電路分為高速數(shù)據(jù)采集和高速數(shù)據(jù)輸出兩部分，為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集及處理，選用P89C51RB2單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集處理的控制核心，P89C51RB2單片機(jī)每個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)行速度是普通的80C51的2倍，晶振頻率可達(dá)22MHz，有16KB的FLASH ROM和512B的RAM，支持串行ISP和IAP功能。高速測(cè)控系統(tǒng)如圖1所示[3，4]。

數(shù)據(jù)采集部分的核心器件采用TI公司的TLC5510，是一種8位高阻抗并行A/D芯片，最小采樣率為20MSPS，采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，減少了器件中比較器的數(shù)量，在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。數(shù)據(jù)輸出部分的核心器件采用TI公司的TLC7528，該器件是雙路、8位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到10M，具有單獨(dú)的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器。該器件能方便地與大多數(shù)通用微處理器總線和輸出端口相接口，功耗小于15mw，工作于電壓方式。

2 高速測(cè)控系統(tǒng)調(diào)試及分析

現(xiàn)以某一學(xué)生制作的電路板為例，對(duì)其設(shè)計(jì)的高速測(cè)控系統(tǒng)電路板進(jìn)行調(diào)試及分析。

2.1 信號(hào)采集功能的調(diào)試及分析

為檢驗(yàn)制作的測(cè)控系統(tǒng)采集信號(hào)的電壓范圍，以及系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)際線性度，以0～2V電壓作為隨機(jī)輸入信號(hào)，進(jìn)行了測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的多次測(cè)量數(shù)據(jù)，制作信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)曲線圖，如圖2所示。

從圖2中，可以很明顯地看出，測(cè)控系統(tǒng)采集的信號(hào)電壓范圍是0.29～2.15V，A/D轉(zhuǎn)換基本呈線性比例關(guān)系。同時(shí)，從圖2中，也可以看出，制作的測(cè)控系統(tǒng)采集部分還有不足之處：與設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電壓范圍0～2V相比，測(cè)控系統(tǒng)采集的信號(hào)電壓范圍整體向上偏移；系統(tǒng)采集時(shí)易受外界的干擾，抗干擾能力需要提高。

2.2 信號(hào)輸出功能的調(diào)試及分析

為檢驗(yàn)制作的測(cè)控系統(tǒng)輸出部分D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)際線性度，以及輸出信號(hào)的波形形狀和穩(wěn)定等情況，以10K正弦波為例，進(jìn)行了測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)輸出實(shí)驗(yàn)。輸出的波形如圖3所示。

通過(guò)輸出的波形可以看出，波形基本成線性比例關(guān)系，波形也較穩(wěn)定，但輸出部分還有不足之處，主要表現(xiàn)在：輸出的波形雖然穩(wěn)定，但還有一些小的毛刺，輸出的波形部分較好，但波形整體不夠光滑，需要改進(jìn)信號(hào)輸出部分的濾波器及其它相關(guān)電路。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)總體分析

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)采集和輸出實(shí)驗(yàn)，可以看出，學(xué)生制作的測(cè)控系統(tǒng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換基本成線性比例關(guān)系，采集的信號(hào)電壓范圍基本與設(shè)計(jì)的相符，輸出信號(hào)的波形也很較穩(wěn)定，但是從測(cè)控系統(tǒng)總體角度考慮，可以看出制作的測(cè)控系統(tǒng)還有不足：易受外界的干擾，濾波器及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)還要改進(jìn)等。針對(duì)這些不足，在測(cè)控系統(tǒng)后續(xù)研究時(shí)，可以嘗試采用下列措施：采用多層板布線，以減小電源、地的干擾；增加電源線、地線寬度；選用性能好的去耦電容；改進(jìn)濾波器的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

基于A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510、P89C51RB2單片機(jī)、 D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528等器件設(shè)計(jì)的高速測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高速數(shù)據(jù)采集和一定的數(shù)據(jù)處理功能，涉及了單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等整個(gè)過(guò)程。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)案例，已在我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)過(guò)程中得以實(shí)施，取得了良好的教學(xué)效果，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)（15JK1521），西安理工大學(xué)特色科學(xué)研究計(jì)劃（2013TS003）。

參考文獻(xiàn)

[1] 白璐，田曉柱，牛炳韜等. 大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，

2015，34（4）： 161-164.

[2] 石坤，魏鋒濤. 一種基于P89C51RB2 的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（1）： 61-64.

[3] Philips. P89C51RB2/ P89C51RC2/ P89C51RD2 80C51 8-bit Flash microcontroller family [EB/OL]. 1999.

http：// www.nxp.com.

[4] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔. 電子設(shè)計(jì)從零開(kāi)始[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.endprint