作者：劉青青，朱清芳
數據采集是為了對溫度、壓力、流量、速度、位移、光強度、聲音等物理量進行在線測量和控制，通過傳感器把上述物理量轉換成模擬物理量的電信號。然后將模擬電信號經過處理并轉換成計算機能識別的數字量，送入計算機處理、存儲、傳輸和顯示。
在操縱桿控制器的工作過程中，需要對操縱桿X軸和Y軸輸出的2路電壓信號進行A／D轉換，轉換后的數據范圍要求在-1 500～1 500，采樣精度為12位。另外還需要對采集后的數據進行計算，并通過串口與兩自由度光電穩定平臺進行通信，實現對穩定平臺的功能控制，通信周期為80 ms。出于成本的考慮，沒有采用傳統專用A／D芯片+單片機的設計模式，只用了一片C8051F020單片機實現了上述功能。
1 芯片簡介
Cygnal公司的C8051F020單片機是一款高性能的數字／模擬混合微處理器，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。具有豐富的片內資源和外圍接口，-40～+85℃的工作環境，內置有12位精度的A／D采集接口，在工業甚至軍用領域中自動控制和智能監控等方面得到了廣泛的應用。
2 系統設計
傳統的數據采集系統信號處理電路復雜龐大，且采集速率慢，溫漂大，抗干擾性差。所以本系統采用C8051F020單片機直接將模擬量轉換為數字量傳給穩定平臺系統，電路簡單實用，采集速率快，精度高并且通過RS 422通信模塊與穩定平臺通信，抗干擾性強。
該系統由C8051F020單片機、晶體、電源模塊及RS 422通信模塊等部分組成。外部電源為+28 V，經DC28S5電源模塊變換后輸出+5 V，給操縱桿和MAX490芯片供電。由于單片機需要3．3 V的電源才能工作，因此需要將+5 V電源經三端穩壓器LT1117-3．3 V變換后供給單片機使用。然后把經過電壓調制的操縱桿模擬信號連接到單片機的ADC輸入端口上，啟動單片機內部A／D轉換電路，將其轉換成數字信號存儲到內存。最后，按照規定的通信格式，通過單片機的串口和MAx490芯片將信號發送給穩定平臺，從而實現了穩定平臺的操縱控制過程。
系統工作原理如圖1所示。
2．1 基準電壓的配置
單片機ADC0模塊所使用的電壓基準采用內部基準電壓1．2 V，其內部電壓基準電路由一個1．2 V1 5 ppm／典型值的帶隙電壓基準發生器和一個兩倍增益的輸出緩沖放大器組成內部基準電壓(2．4 V)。通過VREF引腳連到芯片的VREF0引腳，并在VREF引腳與AGND之間接入0．1 μF和4．7μF的旁路電容，用來將VREF的開啟時間控制在2 ms。
2．2 信號處理電路
一般操縱桿包括操縱和控制兩部分。根據一般目標運動特性，該操縱桿采用X，Y兩個方向運動控制。
而本文選用的操縱桿X軸和Y軸采用霍爾元件感應其位移，輸出電壓范圍為0～5 V。而單片機C8051F020的A／D基準參考電壓為2．4 V，因此需要做一個電壓變換電路，將0～5 V的電壓變換到0～2．4 V，才能被單片機的A／D模塊使用。電壓變換電路如圖2所示。
采用公式out=in×R2／(R1+R2)來計算電阻R1和R2的阻值，令out=2．4，in=5，可以得到R2／R1=48／52。考慮到功耗因素，R1采用5．2 kΩ的電阻，R2采用4．8 kΩ的電阻，電阻采用0．5％的高精度軍品電阻，可以滿足系統高溫和低溫工作要求。
2．3 A／D采集模塊的配置
C8051F020的ADCO模塊包括一個9通道的可編程模擬多路選擇器AMUX0，一個可編程增益放大器PGA0和一個100 KSPS 12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器，原理框圖如圖3所示。
AMUX0，PGA0、數據轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖3所示的特殊功能寄存器來控制。只有當ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置1時，ADC0子系統，ADC0跟蹤保持器和PGA0才被允許工作；當ADOEN位為0時，ADC0子系統處于低功耗關斷方式。
3 軟件編程
軟件主要包括主程序、A／D采集子程序和串口通信子程序。
為了提高采集精度，采用了過采樣技術，即多次采集累加后求平均值的辦法。但考慮到采集速度的要求，也不能無限制地增加采樣次數。經過試驗測試，采用8次采樣即可同時滿足采樣精度和采樣速度的雙重要求。
此外，根據系統的實際工作環境條件，選擇恰當的通信接口和協議，合理設計通信硬件和軟件，獲得高可靠性、強抗干擾和容錯能力，成為衡量此類系統好壞的最重要因素。
為了提高通信傳輸的可靠性，通信協議采用了“消息頭+消息體+校驗和”的防錯設計。具體表述如下：消息結構總共10個字節，消息頭占2個字節，一般采用固定值，比如EB，90(16進制)。消息體內是有用的數據信息，占7個字節。最后是檢驗和，一般采用數學和，即消息頭和消息體9個字節累加后，整除256的余數。采用這種方式進行通信傳送，接收機必須在正確判讀了消息頭和校驗和后才認為命令是有效的，否則該命令消息就被忽略。
軟件流程如圖4～圖6所示。
4 結語
本文基于工程實際對A／D轉換速度和精度的要求，采用了過采樣原理以提高數模轉換的精度。利用C8051F020單片機自身的片上資源，給出了一種簡便有效的過采樣原理的工程實現方法。自2007年投入工程應用后實驗證明：用這種方法可以提高測量分辨率，并且可以簡化外部電路、降低硬件成本。因此，這種方法對硬件成本和采樣精度都有較高要求的控制、采集、測量系統來說具有較高的參考價值，可同時滿足軍事和商業領域。
