基于TLC549的数据采集系统设计
0、引言
现代自动控制系统中需要测量和控制的参数往往都是连续变化的模拟信号，如温度，压力，流量，速度等。这些物理量和控制参数往往都是连续变化的电压和电流，因此，必须将其变换成数字量（即需经模，数转换），才能被数字计算机所识别。这些数字量在计算机内经过运算处理，可以得到一个数字形式的控制量，将这些控制量经过数/模转换器，变成模拟电压或电流信号，再送到执行机构去驱动相应的设备动作，即可实现对生产过程的自动控制。
1、tlc549的主要特点和工作原理 1.1、tlc549的主要特点 tlc549是采用iincmostm技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行a／d7芯片，可与通用微处理器、控制器通过i／oclock、cs、dataout三条口线进行串行接口。tlc549具有4mhz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17μs，允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为±0．5lsb，典型功耗值为6mw。tlc549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其vref-接地时，（vref+）-（vref-）≥1v，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源3～6v的供电范围。总之，tlc549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点，适用于低功耗袖珍仪器上的单路a/d采样，也可将多个器件并联使用。tlc549的内部结构框图和管脚名称如图1所示。
图1、tlc549内部框图和引脚名称
1.2、tlc549的极限参数， tlc549的极限参数如下：
◇电源电压：6．5v：
◇输入电压范围：0.3v～vcc：+o.3v：
◇输出电压范围：0.3v～vcc：+0．3v；
◇峰值输入电流（任一输人端）：±10ma；
◇峰值输人电流（所有输入端）：±30ma
◇工作温度：tlc549c：0℃～70~c
◇tlc549i：-40℃～85℃
◇tlc549m．-55“c～125℃#p#tlc549工作原理e#
1.3、tlc549芯片的工作原理 tlc549带有片内系统时钟，该时钟与i／oclock是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当cs为高时，数据输dataout端处于高阻状态，此时i／oclock不起作用。这种cs控制作用允许在同时使用多片tlc549时，共用i／oclock，以减少多路（片）a／d使用时的i／o控制端口。一组通常的控制时序操作如下：
（i）将cs置低，内部电路在测得cs下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（d7）位输出到dataout端；
（2）在前四个i／oclock周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位（d6，d5，d4，d3），片上采样保持电路在第4个i／oclock下降沿开始采样模拟辅人：
（3）接下来的3个i/oclock周期的下降沿可移出第6、7、8（d2，d1，d0）各转换位；（4）最后，片上采样保持电路在第8个i／oclock周期的下降沿将移出第6、7、8（d2，d1，d0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的a／d转换。在第8个i／oclcok后，cs必须为高或i／olock保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果cs为低时，i／oclock上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将与器件的i／o时序失去同步；而在cs为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤（1）～（4），可重新启动一次新的a／d转换，与此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个i／oclock时钟的下降沿与该时刻对应。因为芯片虽在第4个i／oclock时钟的下降沿开始采样，却在第8个i／oclock的下降沿才开始保存。
2、数据采集系统的设计 本系统以8位a／d转换芯片tlc549为核心部件。它适台完成单通道8位转换，即比较适合在速度要求不高时，组成一种数据采集系统。tlc549芯片可以方便地与具有外围串行接口（spi）的单片机连接使用。按照tc549严格的时序，它在完成a/d转换后，其串行输出的a0～a7二进制数据可由时序控制，并串行输出到申入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完成效据传递。由此设计的基于tlc549的数据采集电路如图2所示。
图2、基于tlc549的数据采集电路
将图2中的j9与单片机相连接，就能实现基于数据的通信和控制。对于该电路，可从端口ads输入外部模拟信号，而端口adcvref则可与图3所示的基准稳压源电路相连。这样，tlc549转换得到的数据就可以由单片机直接通过读结果程序读出，而不需要其他相关硬件支持，因而可以节约硬件资源，同时也可简化电路的拓展。
图3、基准稳压源电路
3、数据采集系统的实验验证 数据采集系统的实现方法很多。本文给出了在maxplusil2se25型eda实验开发系统上进行实验的方法。tlc549在eda实验开发系统主板上已提供了试验环境，并已分配了输入和输出相关引脚。其引脚信号说明及主板、下载板的连接关系如下：
◇引脚1，ref+：输入，电压为+25v基准电压：
◇引脚2，analogin：输人，信号输人，由主板上的jk3输人0～+2.5v电压：
◇引脚3，ref-：输人，负基准电压，接主板地：
◇引脚4，gnd：输人，地，接主板地；
◇引脚5，cs：输入，片选，转换及输出控制接下载板l11；
◇引脚6，dataout：输出，串行移位数据，接下载板l10；
◇引脚7，i/oclock：输人，串行移位脉冲，接下载板l9；
◇引脚8，vcc：输入，电源，接主板电源。
完成设计并锁定管脚后，再进行以下操作：
（1）将短路帽插在ju9插座上：
（2）将主板上部中央的插座jpl中的“l9～l16”位置短路帽取下；
（3）将主板上cp1的短路帽插在lhz、2hz、4hk、1024hz、4096hz、32768hz，6档中的任一档频率上；
（4）模拟电压应由主板上的wl获得，调节w1可获得0～+2.5v的电压，或通过jk3外接直流来调整0～+2.5v电源。
实验时，启动一次主板上的k1开关，则可完成一次ad转换，8位数据的二进制值由l8、
l7、l6、l5、l4、l3、l2、l1指示，亮者为“1”。不亮者为“0”，l8为msb位。l1为lsb位。
4、结束语 本论文在分析了tlc549芯片的主要参数和工作原理的基础上，采用简单而实用的硬件电路设计的数据采集系统，充分利用了tlc549便于和具有外围串行接口的单片机相连的结构特点，使系统在准确完成数据采集的前提下，又能有效节约硬件资源，同时系统也易于拓展。然而，本文只就数据采集这项技术进行了部分研究。其在系统设计的完善以及系统应用上存在不足之处，还有待于进一步的探究。
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图1、tlc549内部框图和引脚名称
1.2、tlc549的极限参数， tlc549的极限参数如下：
◇电源电压：6．5v：
◇输入电压范围：0.3v～vcc：+o.3v：
◇输出电压范围：0.3v～vcc：+0．3v；
◇峰值输入电流（任一输人端）：±10ma；
◇峰值输人电流（所有输入端）：±30ma
◇工作温度：tlc549c：0℃～70~c
◇tlc549i：-40℃～85℃
◇tlc549m．-55“c～125℃#p#tlc549工作原理e#
1.3、tlc549芯片的工作原理 tlc549带有片内系统时钟，该时钟与i／oclock是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当cs为高时，数据输dataout端处于高阻状态，此时i／oclock不起作用。这种cs控制作用允许在同时使用多片tlc549时，共用i／oclock，以减少多路（片）a／d使用时的i／o控制端口。一组通常的控制时序操作如下：
（i）将cs置低，内部电路在测得cs下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（d7）位输出到dataout端；
（2）在前四个i／oclock周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位（d6，d5，d4，d3），片上采样保持电路在第4个i／oclock下降沿开始采样模拟辅人：
（3）接下来的3个i/oclock周期的下降沿可移出第6、7、8（d2，d1，d0）各转换位；（4）最后，片上采样保持电路在第8个i／oclock周期的下降沿将移出第6、7、8（d2，d1，d0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的a／d转换。在第8个i／oclcok后，cs必须为高或i／olock保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果cs为低时，i／oclock上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将与器件的i／o时序失去同步；而在cs为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤（1）～（4），可重新启动一次新的a／d转换，与此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个i／oclock时钟的下降沿与该时刻对应。因为芯片虽在第4个i／oclock时钟的下降沿开始采样，却在第8个i／oclock的下降沿才开始保存。
2、数据采集系统的设计 本系统以8位a／d转换芯片tlc549为核心部件。它适台完成单通道8位转换，即比较适合在速度要求不高时，组成一种数据采集系统。tlc549芯片可以方便地与具有外围串行接口（spi）的单片机连接使用。按照tc549严格的时序，它在完成a/d转换后，其串行输出的a0～a7二进制数据可由时序控制，并串行输出到申入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完成效据传递。由此设计的基于tlc549的数据采集电路如图2所示。
图2、基于tlc549的数据采集电路
将图2中的j9与单片机相连接，就能实现基于数据的通信和控制。对于该电路，可从端口ads输入外部模拟信号，而端口adcvref则可与图3所示的基准稳压源电路相连。这样，tlc549转换得到的数据就可以由单片机直接通过读结果程序读出，而不需要其他相关硬件支持，因而可以节约硬件资源，同时也可简化电路的拓展。
图3、基准稳压源电路
3、数据采集系统的实验验证 数据采集系统的实现方法很多。本文给出了在maxplusil2se25型eda实验开发系统上进行实验的方法。tlc549在eda实验开发系统主板上已提供了试验环境，并已分配了输入和输出相关引脚。其引脚信号说明及主板、下载板的连接关系如下：
◇引脚1，ref+：输入，电压为+25v基准电压：
◇引脚2，analogin：输人，信号输人，由主板上的jk3输人0～+2.5v电压：
◇引脚3，ref-：输人，负基准电压，接主板地：
◇引脚4，gnd：输人，地，接主板地；
◇引脚5，cs：输入，片选，转换及输出控制接下载板l11；
◇引脚6，dataout：输出，串行移位数据，接下载板l10；
◇引脚7，i/oclock：输人，串行移位脉冲，接下载板l9；
◇引脚8，vcc：输入，电源，接主板电源。
完成设计并锁定管脚后，再进行以下操作：
（1）将短路帽插在ju9插座上：
（2）将主板上部中央的插座jpl中的“l9～l16”位置短路帽取下；
（3）将主板上cp1的短路帽插在lhz、2hz、4hk、1024hz、4096hz、32768hz，6档中的任一档频率上；
（4）模拟电压应由主板上的wl获得，调节w1可获得0～+2.5v的电压，或通过jk3外接直流来调整0～+2.5v电源。
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l7、l6、l5、l4、l3、l2、l1指示，亮者为“1”。不亮者为“0”，l8为msb位。l1为lsb位。
4、结束语 本论文在分析了tlc549芯片的主要参数和工作原理的基础上，采用简单而实用的硬件电路设计的数据采集系统，充分利用了tlc549便于和具有外围串行接口的单片机相连的结构特点，使系统在准确完成数据采集的前提下，又能有效节约硬件资源，同时系统也易于拓展。然而，本文只就数据采集这项技术进行了部分研究。其在系统设计的完善以及系统应用上存在不足之处，还有待于进一步的探究。
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