基于AT89S51單片機實現(xiàn)多路信號源的系統(tǒng)設計

1 引言

隨著測試設備的飛速發(fā)展，其性能狀況越來越受到人們的重視，經(jīng)過一段時間要對測試設備進行檢測。主測試板作為測試設備上的重要部件，它的性能好壞起著重要作用。在對其進行性能測試時，由于沒有專用的信號源，一般都是安裝在設備上進行試驗。這不僅費時費力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要專用的測試設備。本信號源就是針對這一問題而設計的。

2 信號源的設計要求

根據(jù)對多數(shù)測試設備修理試驗工藝的分析，該信號源具體要求如下：

四路電壓信號：一路電壓范圍為-25 V～25 V的直流信號源，精度要求為：0 V～1 V的誤差為±0.1V，1 V～25 V的誤差為±0.05 V，-25 V～0 V的誤差為±0.15 V；其中一路產(chǎn)生幅值為0 V～25 V的方波，幅值誤差為±0.2 V，頻率誤差為1 Hz；

一路電壓范圍為-100 mV～100 mV的直流信號源，要求誤差為±0.5 mV；

一路電壓范圍為-0.5 V～0.5 V的直流信號源，要求誤差為±0.005 V；

一路電壓范圍為0 V～5 V的直流信號源，要求誤差為0.01 V。

四路模擬溫度信號。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 信號源硬件設計及工作過程

本系統(tǒng)的硬件部分以Atmel公司的AT89S51單片機為核心，其外圍電路主要包括：D／A轉換電路、電壓轉換電路、運算放大電路、集電器模擬溫度電路、通信接口電路以及看門狗復位電路。其核心部分是D／A轉換電路和運算放大電路，其他電路都是圍繞D／A轉換功能完善系統(tǒng)、保證程序正常運行而設計的。通信接口電路實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)通信；集電器模擬溫度電路實現(xiàn)四路溫度的模擬；看門狗復位電路監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，在死機或“程序走飛”時可使系統(tǒng)自動恢復到正常工作狀態(tài)。圖1所示為系統(tǒng)硬件原理結構框圖。

系統(tǒng)工作過程：上位機發(fā)送控制字（包括信號通道選擇和信號幅值大小）至下位機（單片機），下位機采集控制字后，由單片機程序實現(xiàn)所選信號通道以及信號幅值的大小。下位機產(chǎn)生信號后，通過串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機并顯示在上位機相應的虛擬面板上。產(chǎn)生的信號通過板卡上的外接信號輸出端口傳輸?shù)綔y試設備相應的通道上，模擬傳感器接收信號。如果測試設備接收后顯示的信號與板卡輸出的信號大小相一致，則認為測試設備性能良好。

3.2 D／A轉換電路和運算放大電路

D／A轉換電路采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TLC5620。它是一款帶有串行控制的4路8位電壓輸出數(shù)／模轉換器（DAC）。每一路均具有兩級緩沖器（輸入鎖存器（Latch）和DAC鎖存器）、一個輸出增益開關，一個8位DAC電路以及一個電壓輸出電路。TLC5620的編程可通過對串行控制字中的RNG位置1或清零來實現(xiàn)，其輸出電壓的最大值可以是外部參考電壓的1～2倍。其輸入／輸出電路均為射極跟隨器。

通過簡單的3線串行總線可對TLC5620進行控制，其11位的命令字由8位數(shù)據(jù)位、2位DAC選擇位以及1位RNG位組成。DAC寄存器是雙緩沖的，將完整的新數(shù)值寫入器件，然后DAC輸出通過LDAC端的控制同時更新。數(shù)字輸出端帶有施密特觸發(fā)器，因此，該電路具有較高的噪聲抑制性能。

TLC5620采用4個電阻串（resistor-string）來實現(xiàn)D／A轉換。每一個DAC的核心是一個帶有256抽頭的單電阻，它們對應于0～255的數(shù)字代碼。每個電阻串的一端連接到GND，另一端由基準輸入緩沖器的輸出饋電。通過使用電阻串保持單調性，線性度取決于電阻元件的一致性和輸出緩沖器的性能。由于輸入端經(jīng)過緩沖，所以DAC對于基準源總是呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

每一個DAC的輸出由一個可控增益放大器緩沖，它可以被配置為×1或×2的增益。上電時，DAC被復位為全“0”。每一路的輸出電壓可由下式給出：

V0（DACA～DACD）=REF×（CODE／255）×（1+RNG）

其中，CODE的范圍為0～255。RNG位是串行控制字內的0或1。

四路+25 V模擬信號采用寬電壓輸出的運算放大器OPA551。該運算放大器可輸出±30 v電壓，電流最大值200 mA，可滿足本系統(tǒng)要求。其余采用LM324，以節(jié)約成本。方波信號采用定時器的溢出中斷來產(chǎn)生。四路溫度的模擬采用數(shù)字電位器和繼電器實現(xiàn)。調節(jié)電位器阻值大小實現(xiàn)溫度變化，由繼電器的動作切換開閉溫度的模擬。D／A與運算放大器電路如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)通信模塊設計

通信模塊采用CAN總線和RS-232總線模塊實現(xiàn)，其電路圖如圖3所示。

RS-232電平轉換器可以將輸入的±5 V電源電壓轉換為RS-232輸出電平所需的±10 V電壓。CAN收發(fā)器選用PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，可提供對CAN總線上數(shù)據(jù)的差動發(fā)送和接收功能。

作為上位機的PC通過其串行接口發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生RS-232電平信號，由電平轉換電路將RS-232電平信號轉換成單片機所能接受的TTL／CMOS電平信號，并傳到協(xié)議轉換單元的單片機，單片機將接收到的數(shù)據(jù)打包、轉換后，通過CAN收發(fā)器發(fā)送至CAN總線。掛在CAN總線上的下位機節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)控制命令做出相應動作。上位機與下位機通信示意圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計分為兩部分：上位機采用Lab-Windows／CVI為開發(fā)平臺，下位機以g6E為平臺，采用匯編語言編寫。從功能上軟件設計可分為：系統(tǒng)初始化程序、主程序、串口中斷及定時器中斷程序。雙機通信協(xié)議約定如下：

aa+55+功能位+數(shù)據(jù)位+校驗位

其中，前兩個字節(jié)為前導碼，第三個字節(jié)為控制命令，單片機根據(jù)此字節(jié)進行相應處理。第四個字節(jié)為具體控制數(shù)據(jù)，最后為校驗數(shù)據(jù)。根據(jù)此協(xié)議，上位機每次發(fā)5個字節(jié)。下位機接收到有效的前導碼后進行相應的動作。

5 結束語

本測試信號源已投入使用，系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了良好的實用性與較高的性價比，完全能夠滿足各種測試環(huán)境的要求。

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