基于单片机的PSD数据采集电路的设计方案（二） 数据采集, 单片机

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图5中，使能端EN(3)与+5 V相连，使其始终处于工作状态;信号输入端S1~S4(13、11、10、9)分别与PSD输出信号Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y 相连;输入信号选择端A0、A1(16、1)分别由Mgea16 单片机的I/O 口PC3(25)、PC4(26)控制、A2(4)与GND相连，依序选通4路输入电压信号，送至图6所示的电压跟随器后进入AD1674进行模/数转换;


3.2 模/数转换电路
AD1674是美国AD公司推出的一款12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片。基本特点和主要参数如下：
带有内部采样保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/数转换器;采样频率为100 kHz;转换时间为10 μs;数据可并行输出，采用8/12 位可选微处理器总线接口;采用双电源供电：模拟部分为±12 V或±15 V,数字部分为+5 V.


如图7 所示，AD1674 的数据输出端口DB4~DB11(20~27)与单片机的PB口(1~8)相连;AD1674工作状态由逻辑端口(2~6)控制，其真值见表1.


由单片机控制CE 为高电平，CS、R/C、A0 为低电平，启动12 位数据转换;转换状态输出端口STS(28)与单片机的PD2(16)相连，当STS为高电平时，AD1674处于模/数转换状态，而STS为低电平时，模/数转换结束，可以读取转换数据;由于只采用8个输入端口读数据，故转换的12位数据需要分两次读出：即先将R/C、A0端口(5、4)电平置高，读低4位数据至单片机，然后将A0端口电平置低，读高8位数据至单片机。
3.3 单片机控制电路
单片机是整个电路系统的核心部件，其作用是控制实验过程和数据的转换、存储与传输。本实验采用ATMEL 公司的Atmega16单片机，其引脚及功能如图8所示。


3.3.1 信号控制
单片机的PC1 口(23)接7407 同相缓冲器，信号经电流驱动后调制激光器发光。
3.3.2 数据存储和串行传输
(1)数据存储
如图4 所示，单片机的PB 口(1~8)与AD1674 的数据输出端(20~27)相连，为A/D 转换后的数字电压输入口，每次传输8位数据。由3.2节可知，电压信号经A/D转换后为12位数字信号，需分为2次传输，而单片机也需要2个字节存储1个数据。即采集PSD输出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 等4个数据需要8个字节存储。
(2)数据传输
由于采集的数据在单片机中是连续存储的，因此数据通过RS 232 串行传输至计算机时，需对采集的数据进行分组、加标识，以免数据组合时发生错误。
表2给出了对Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 4个12位二进制数据编码的规则。


即采集的一组数据，每个字节中前2位为标识位，后6位为数据位，并且只对前4个字节的标识位进行编码。
Mega16单片机的串行通信端口RXD(14)和TXD(15)分别与MAX232串行通信芯片[8]的RXD(11)和TXD(12)端连接，通过串口实现与计算机的通信，并可在计算机中使用串口调试工具Comtools软件读取数据。最后经数学处理，得到表示x,y 位置信息的数字电压值。
3.4 实际电路
图9为数据采集、信号传输及过程控制单片机电路的实物图。


4 结论
本文先通过介绍高精度光电位置传感器PSD的工作原理，并根据实际选取的SiTek公司出品的SPC01型PSD的结构及输出特性，然后提出了一种基于单片机技术的PSD输出信号数据采集电路的设计方案。该设计方案中的电路在保证有效对数据进行快速采集的基础上，具备结构简单、成本低廉、体积较小等优点，适合在实验室条件下进行实验操作，为后续的PSD定位精度、输出特性、抗干扰措施等研究奠定基础。