C8051F021型单片机实现数据采集系统

作者：时间：2011-10-09 来源：网络收藏

3 采集卡硬件设计

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/172454.htm

　　本采集卡主要由C8051F021、A/D滤波采样保持电路、双口RAM、GPS接口、PCI接口等部分组成。从现场PT、CT过来的电压及电流经隔离互感器隔离变换后输入数据采集卡，然后经过二阶滤波器至A/D转换器前置通道。单片机通过GPS接口和双口RAM取得精确的秒脉冲和相应时间(年、月、日、时、分、秒)并实现对信号的同步采集，转换后得到的数字量再由另外一个双口RAM和PCI接口送往上位机进行处理。系统的结构框图如图3所示。

　　本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型单片机，该系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(System On Chip)，具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核;峰值速度可达25MI/S;在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件(包括可编程增益放大器PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、UART、定时器、可编程计数器/定时器阵列PCA等)。其指令周期为83ns(3.3V,12MHz);具有大容量的可在系统(ISP)和在应用(IAP)编程的FLASH存储器;支持符合IEEE 1194.1标准的JTAG调试和边界扫描，可进行非侵入式、全速的在系统调试。由于C8051F型单片机与其他8位单片机和比具有更为优异的性能，所以一面世就成为很多测控系统设计的首选机型。

　　ADC转换器采用片内12位、100ks/s的ADC，每次转换仅需10μs，完全满足系统对实时性和快速性的要求。F021型单片机ADC有8个外部输入，基准电压可由内部或外部提供(2.5V)，可编程为单端输入或差分输入且带可编程放大器增益，本采集卡使用6路单端输入以完成对3相电压、电流的同步采集。因为ADC采用单端输入时只能对0～2.5V的信号进行AD转换，所以对由PT、CT送来的-2.5V～+2.5V正弦交流信号需在A/D转换的前置通道加一直流偏置电压2.5V，使得输入信号幅值为0V～5V，该信号现经片内可编程增益入大器衰减为0V～2.5V，进而完成A/D转换。采集时通过采集程序发出采样保持命令使采样/保持器保持采集瞬间的值，采集的瞬时信号经过模拟通道开关选择进入衰减电路，再经过A/D转换器转换成12位并行数据输出到双口RAM供上位机读入处理。

　　双口RAM采用的是32k、8位高速IDT7007S，单片机和上位机可分别从双口RAM两边同时进行读写操作(但不可同时对同一地址单元写数据)，且该双口RAM的存取操作时间最长仅需55ns，因此，通过双口RAM极大地提高了单片机与上位机交换数据的速度，从而为该数据采集卡在电力系统测控领域中的应用提供了保证。

　　PCI接口主要由PCI接口CH365完成。CH365是一个连接PCI总线的通用接口电路，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM及中断。本采集卡主要使用CH365的存储器映射功能，将32位高速PCI总线转换为8位数据、16位地址主动并行接口。CH365可以通过双端口存储器与外部的单片机或者DSP交换数据，然后将数据传送到上位机做进一步处理。如果将CH365的读写选通脉冲的宽度设定为30ns，并且使用双字为单位进行数据交换，则数据传输的实测速度可以达到每秒7M字节。PCI总线与其他主流总线相比，速度更快、实时性更好、可控性更佳，所以CH365特别适用于高速实时I/O控制卡、通讯接口卡和数据采集卡等。

　　除了上述有关数据采集处理的速度、精度、实时传送等方面的考虑外，本采集卡还考虑了各路依赖的异地同步采集，在设计中采用了GARMIN公司的GPS接收板(GPS Receiver Board)GPS15L,通过卫星精密授时功能，由卫星提供的精确秒脉冲实现异地同步采集。该接收板最少接收11颗卫星的信号，专用集成电路和处理软件能从接收到的信息中提取并输出二种时间信号：一是秒脉冲1PPS，其与协调世界时UTC(国际标准时间)的同步误差不超过1μs;二是经串行口输出的与1PPS脉冲前沿对应的标准时间码(年、月、日、时、分、秒)，即1PPS的“时间标记”。电力系统内部的各个送端和受端的分布广泛分散，基顺各端安装一台GPS接收机，则GPS的全球性和高精度就能保证各地时间信号与UTC的相对误差都不超过1μs。这种全球范围内的高精度时间同步在电力系统检测和测量中有极高的利用价值。本数据采集卡就是通过GPS接收板提供的秒脉冲和其时间标记来进行异地同步数据采集的，实践证明其效果是理想的。

　　4 采集卡软件设计

　　本采集卡的软件程序主要包括与GPS接收板的串口通信程序、与上位机通信的PCI接口程序及数据采集和处理程序。软件流程图如图4所示。