專利名稱：基于嵌入式微處理器spi接口的信號檢測控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種信號檢測控制電路，特別涉及一種基于嵌入式微處理器SPI 接口的信號檢測控制電路。
背景技術(shù)：
目前，在一般小型系統(tǒng)中，基于信號采集和處理的硬件體系架構(gòu)方式一般采用的 是“單片機(jī)+采樣器件或控制器件”的方案，即單片機(jī)通過其一般的I/O接口與外圍的采樣 芯片通信連接，這一方案實(shí)現(xiàn)起來雖然簡單，但其缺點(diǎn)也是明顯的1、其通信接口必須通過編寫相應(yīng)的單片機(jī)軟件現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致通信速率非常慢；2、相同接口的不同器件不能共用某些信號線，導(dǎo)致資源本來就非常有限的單片機(jī) 系統(tǒng)顯得更加緊張；3、因?yàn)橥ㄐ潘俾时容^慢，采樣和控制都顯得實(shí)時性不強(qiáng)，無法滿是實(shí)時控制要求 較高的應(yīng)用場合。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，新的高性能器件不斷出現(xiàn)，使得以上問題 得到了一個很好的解決方案。本實(shí)用新型正是在這樣的背景下提出的，不但可以有效的解 決了以上的問題，在采樣、控制方面的速度、精度都得到了很大的提高?；贏RM的嵌入式微處理器是目前應(yīng)該較廣的微處理器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控 制、消費(fèi)電子、航空航天等各領(lǐng)域，其較快的運(yùn)行速度、豐富的內(nèi)部資源、簡單方便的可擴(kuò)展 性以及良好的性價比，使得其應(yīng)用不斷擴(kuò)大，并有逐步取代傳統(tǒng)單片機(jī)控制器成為主流的 控制平臺的趨勢。在DA (數(shù)-模)控制方面，一般的做法是根據(jù)控制對象的需要選用相應(yīng)類型的DA 器件，在精確控制的場合中，選用一般的DA器件由于器件本身存在的誤差導(dǎo)致精確性始終 無法滿足，此時傳統(tǒng)的做法變得選用各種性能更高、精度更高的DA器件，從而導(dǎo)致成本始 終居高不下。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電 路，可以提高微處理器與被控對象之間的通訊速度并解決其接口資源緊張的問題。本實(shí)用新型的目的可以通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)一種基于嵌入式微處理器 SPI接口的信號檢測控制電路，包括嵌入式微處理器、AD采樣模塊、DA控制模塊；所述的 AD采樣模塊、DA控制模塊都通過SPI總線與嵌入式微處理器連接，嵌入式微處理器在不同 的片選信號間切換實(shí)現(xiàn)與不同的SPI器件通信連接。通過微處理器內(nèi)集成的SPI接口，實(shí)現(xiàn)AD采樣模塊對被控對象電流電壓信號進(jìn)行 采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器運(yùn)算后得到輸出控制數(shù)據(jù)，輸出控制數(shù)據(jù)通過DA控制電路進(jìn) 行，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。作為對本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述DA控制模塊由DA主控電路和DA補(bǔ)償電路組成；通過DA主控電路的輸出控制信號數(shù)據(jù)到被控對象，通過DA補(bǔ)償電路輸出補(bǔ)償信號數(shù) 據(jù)到DA主控電路的輸出；實(shí)現(xiàn)對被控對象的輸出補(bǔ)償功能，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象的精確控 制。此電路可以有效滿足目前常規(guī)采樣檢測控制系統(tǒng)的需要，其采樣和控制的精度在5V參 考電壓條件下可達(dá)0. 5mV以內(nèi)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較高的性能。作為對本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括用于將輸入輸出信號進(jìn)行光耦隔離的光 電耦合隔離電路，以達(dá)到保護(hù)微處理器系統(tǒng)的目的。同原來的技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了具有高性能微處理器中的 SPI接口，以同一個接口實(shí)現(xiàn)與三個外圍SPI器件通信連接，實(shí)現(xiàn)對被控對象模擬信號的輸 入采樣和輸出控制，同時實(shí)現(xiàn)了對被控對象的精確控制。在保證通信速率的前提下有效的 節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了采樣的精度和輸出控制的精度。

圖1為本實(shí)用新型的原理框圖。圖2為本實(shí)用新型中輸入/輸出信號所用的光電耦合隔離電路的電路原理圖。圖3為本實(shí)用新型中AD采樣電路的電路原理圖。圖4為本實(shí)用新型中DA主控制電路的電路原理圖。圖5為本實(shí)用新型中DA補(bǔ)償電路的電路原理圖。圖6為本實(shí)用新型中DA補(bǔ)償電路對DA主控電路實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)碾娐吩韴D。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，為本實(shí)用新型的原理框圖，基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測 控制電路包括嵌入式微處理器、AD采樣模塊、DA主控電路、DA補(bǔ)償電路。AD采樣模塊將 從被控對象處獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式微處理器內(nèi)置的SPI總線傳入微處理器系統(tǒng)，DA主控電 路、DA補(bǔ)償電路經(jīng)嵌入式微處理器內(nèi)置的SPI總線將微處理器系統(tǒng)處理后的控制數(shù)據(jù)輸出 至被控對象。嵌入式微處理器，是一個基于ARM9的嵌入式操作系統(tǒng)，為整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心， 包括ARM9嵌入式微處理器、SDRAM、FLASH等組成一個完成系統(tǒng)所必需的主要器件。嵌入式 系統(tǒng)中通過運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種的通用功能和特定功能，如TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信、USB 數(shù)據(jù)存儲、文件存儲和管理、圖形界面、信號采集和控制、算法運(yùn)算等。嵌入式微處理器采用型號為AT91RM9200，它是一款高性能、低功耗、高可靠性、低 價格的內(nèi)含ARM9內(nèi)核的嵌入式微處理器芯片，其工作頻率為189MHz，最高可達(dá)208MHz，具 備非常豐富的外設(shè)資源，如SDRAM控制器、存儲器控制器、以太網(wǎng)控制器、多路的串口、SPI 控制器、IIC控制器、SD/MMC控制器等，在眾多的工業(yè)控制場合中得到廣泛的應(yīng)用。AD采樣模塊負(fù)責(zé)完成設(shè)備對所有被檢測對象的電壓(如果是電流信號，則要先轉(zhuǎn) 換成電壓信號)采樣，AD采樣模塊采用16位精度8通道AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8344，該芯片與主 控制器采樣串行SPI通信方式，其最大采樣速率為100kHz，芯片所支持的SPI串行通信最大 通信時鐘為2. 4MHz，可提供非常高速的模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸功能。DA主控制電路實(shí)現(xiàn)對被控對象電流/電壓的輸出控制，使之按照設(shè)定的電流/電 壓數(shù)值完成響應(yīng)控制。本實(shí)用新型采用的DA轉(zhuǎn)換器是16位精度四通道DA轉(zhuǎn)換器DAC8554，該芯片與微處理器之間采用串行SPI通信方式，最大通信時鐘可達(dá)25MHz。DA補(bǔ)償電路的模擬輸出芯片采用8通道、8位精度的DA轉(zhuǎn)換器MB88347，該芯片與 主控制器之間的通信同樣采用串行SPI通信方式。DA主控制電路和DA補(bǔ)償電路通過一定的電路設(shè)計疊加在一起，共同完成對被控 對象電壓信號的輸出控制，其精度可達(dá)0. 5mV。如圖2所示，為本實(shí)用新型中輸入/輸出信號所用的光電耦合隔離電路的電路原 理圖，光電耦合隔離電路主要包括器件0P17。所述0P17采用快速光電耦合隔離器6W37S， 最高開關(guān)頻率可達(dá)IOMHz ；0P17左端為輸入信號端，右端為輸出信號端，兩端的供電系統(tǒng) 相互獨(dú)立。所述光電耦合隔離器0P17采用的是同相隔離設(shè)計，即當(dāng)輸入信號為高電平時， 0P17左邊的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，使得0P17右邊的三極管同樣不導(dǎo)通，0P17右邊輸出的輸出 信號維持上拉高電平；當(dāng)輸入信號為低電平時，0P17左邊的二極管導(dǎo)通，激活右邊的三極 管導(dǎo)通，輸出通過導(dǎo)通的三極管連接到地，因此輸出信號是低電平。所述光電耦合隔離器0P17的兩端采用兩個互不相連的電源系統(tǒng)，一邊是3. 3V系 統(tǒng)，一邊的5V系統(tǒng)，光電耦合隔離電路可以使兩個不同電平的系統(tǒng)之間的信號實(shí)現(xiàn)無差錯 傳遞，防止信號因電平差異而出現(xiàn)傳遞錯誤。光電耦合隔離電路的另外一個很重要的作用 是抗干擾，因?yàn)楣怆婑詈细綦x電路的兩端是通過光來傳遞信號的，因此即使輸入端的信號 受到了干擾，只要其干擾信號強(qiáng)度不至于影響發(fā)光二極管，信號的干擾就不會隨著原信號 傳至另一端。在工業(yè)應(yīng)用中，被控對象往往會很容易收到各種干擾源的干擾，而這種設(shè)計可 以非常有效地保證設(shè)備的核心控制系統(tǒng)不會受到外部干擾的影響，是工業(yè)電路設(shè)計中常用 的一個抗干擾設(shè)計方法。如圖3所示，為本實(shí)用新型中AD采樣電路的原理圖，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U22、濾波 電容C99 C108、電阻R114 R118、R120 R124、光電耦合隔離器0P4 0P8和參考電壓 源U23。模擬采樣信號通過所述濾波電容ClOO C104、C106后接入所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊U22 的1 3、5、6腳；所述參考電壓源U23的輸出腳6腳通過電容C107與C108并聯(lián)接地組成 的濾波電路后接入所述U22的11腳；所述U22的17 19腳分別與所述0P6 0P4的6腳 連接；所述U22的15、16腳與所述0P8、0P7的3腳相連；所述0P4 0P5的3腳、0P8、0P7 的6腳與嵌入式微處理器的相關(guān)端口連接。 所述U22采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8344，其右側(cè)接口為與微處理器進(jìn)行通信的SPI接 口，信號通訊時首先經(jīng)過高速光電耦合隔離器件進(jìn)行隔離，其左側(cè)接口為模擬信號輸入端。 采樣的信號有5個通道，其中，2通道電壓信號、2通道電流信號、1通道溫度信號(電流信號 和溫度信號在轉(zhuǎn)換前也通過電路變換成相應(yīng)的電壓信號)。實(shí)際應(yīng)用中，最大的采樣信號為 8通道。所述參考電壓源U23型號為REF02BU，可以提供比較精確的5V參考電壓輸出，其輸 入電壓為12V，可以有效的提高采樣芯片的采樣精度。 如4所示，本實(shí)用新型中DA主控制電路的電路原理圖，主要包括DA轉(zhuǎn)化電路U35、 參考電壓源U36、反相電壓轉(zhuǎn)換器U37、電容C136 C139、電阻R270 R272、可調(diào)電阻VRl 和電壓型放大器U38 U40。所述DA轉(zhuǎn)換模塊U35的輸出腳1腳接入所述反相電壓轉(zhuǎn)換 器U37的輸入腳2腳；所述U35的2、7、8腳分別通過電阻R270 R272接入所述電壓型放 大器U38 U40的同相輸入端3腳；所述U35的9 11腳分別與嵌入式微處理器系統(tǒng)的相 應(yīng)端口連接；所述參考電壓源U36的輸出腳6腳通過電容C137與C139并聯(lián)接地組成的濾
5波電路后接入所述U35的3腳。所述U35采用型號為DAC8554的DA轉(zhuǎn)換芯片，其功能為將特定的數(shù)字量的電壓信 號轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓信號。DA主控制電路可以實(shí)現(xiàn)4通道的模擬輸出控制，其輸入信號 包括數(shù)據(jù)輸入信號、時鐘信號、片選信號都由微處理器產(chǎn)生，經(jīng)過光電耦合隔離后輸入到所 述DA轉(zhuǎn)化電路U35，最后由所述U35完成輸出轉(zhuǎn)換和控制。所述參考電壓源U36的作用是 提高所述U35的轉(zhuǎn)換精度。所述反相電壓轉(zhuǎn)換器U37型號為INA132U，可以將原來正的電壓 信號轉(zhuǎn)換輸出成負(fù)的電壓信號。所述電壓型放大器U38 U40型號為0P07CD，其作用為穩(wěn) 定電壓輸出信號。如圖5所示，為本實(shí)用新型中DA補(bǔ)償電路的電路原理圖，包括DA轉(zhuǎn)換器TO2、穩(wěn)壓 二極管VDl、濾波電容C42、C35、電阻R49、R51 R53。5V電源經(jīng)過所述分壓電阻R49后與 接地穩(wěn)壓二極管VDl連接，所述R49與VDl之間通過接地的濾波電容C35后接入所述U52 的8腳VDD ；所述U52的12 14腳通過電阻R53 R51與微處理器的相應(yīng)端口相連；5V電 源通過所述濾波電容接入所述U52的9腳VCC。所述DA轉(zhuǎn)換器采用8通道、8位精度的MB88347，其作用是將特定的數(shù)字量的電壓 信號轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓信號。所述DA補(bǔ)償電路可以實(shí)現(xiàn)8通道的模擬輸出控制，其輸入 信號包括數(shù)據(jù)輸入信號、時鐘信號、片選信號由微處理器產(chǎn)生，經(jīng)過光電耦合隔離器后輸入 到DA轉(zhuǎn)換器中TO2，最后由U52完成輸出轉(zhuǎn)換和控制。所述穩(wěn)壓二極管VDl產(chǎn)生2. 5V的相 對穩(wěn)定電壓，其作用是提高U52的轉(zhuǎn)換精度。如圖6所示，為本實(shí)用新型中DA補(bǔ)償電路對DA主控電路實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)碾娐吩韴D， 包括電阻R72 R76，電容C50、C55和運(yùn)算放大器U32A。DA主控電路與DA補(bǔ)償電路的輸 出的模擬電壓信號分別通過所述電阻R72、R73接所述運(yùn)算放大器U32A的反相輸入端；所述 電阻R74與所述電容C50并聯(lián)后接于所述U32A的反相輸入端與輸出端；所述U32A的同相 輸入端通過所述電阻R75接地；所述U32A的輸出端通過所述電阻R76進(jìn)行輸出；所述U32A 的兩個電源腳之間接入濾波電容C55。通過配置運(yùn)算放大器外圍的電阻將兩路電壓信號按 照一定的比例進(jìn)行疊加和輸出。上述實(shí)施例中所選用的器件不是實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型發(fā)明目的的唯一選擇，均可由其 它具有相同功能的器件替換。本實(shí)用新型具有很強(qiáng)的通用性，可以應(yīng)用于各種有關(guān)電壓電流檢測和控制的系統(tǒng) 中，硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)都非常方便和簡單。電路的各個模塊和功能接口具有很強(qiáng)的獨(dú)立性， 可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行裁剪和替換；所有的器件都使用了標(biāo)準(zhǔn)的封裝形式，各種輸入 /輸出接口都使用了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和器件，符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化要求。
權(quán)利要求一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其特征在于，包括嵌入式微處理器、AD采樣模塊、DA控制模塊；所述的AD采樣模塊、DA控制模塊都通過SPI總線與嵌入式微處理器連接，微處理器在不同的片選信號間切換實(shí)現(xiàn)與不同的SPI器件通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其 特征在于所述DA控制模塊由DA主控電路和DA補(bǔ)償電路組成；通過DA主控電路的輸出控 制信號數(shù)據(jù)到被控對象，通過DA補(bǔ)償電路輸出補(bǔ)償信號數(shù)據(jù)到DA主控電路的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電 路，其特征在于，所述AD采樣模塊、DA控制模塊與嵌入式微處理器之間設(shè)置有光電耦合隔 離電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其 特征在于所述嵌入式微處理器為AT91RM9200。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其 特征在于，AD采樣模塊采用16位精度8通道AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8344，該芯片與所述嵌入式微 處理器之間的通信采用串行SPI通信方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其 特征在于，所述DA主控電路采用的DA轉(zhuǎn)換器為16位精度、4通道DA轉(zhuǎn)換器DAC8554，該芯 片與微處理器之間的通信采用串行SPI通信方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其 特征在于，所述DA補(bǔ)償電路采用8通道、8位精度的DA轉(zhuǎn)換器MB88347。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于嵌入式微處理器SPI接口的信號檢測控制電路，其特征在于，包括嵌入式微處理器、AD采樣模塊、DA控制模塊；所述的AD采樣模塊、DA控制模塊都通過SPI總線與嵌入式微處理器連接，微處理器在不同的片選信號間切換實(shí)現(xiàn)與不同的SPI器件通信連接。本實(shí)用新型在保證通信速率的前提下有效的節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了采樣的精度和輸出控制的精度。
文檔編號G06F13/38GK201689408SQ200920264008
公開日2010年12月29日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者余楠, 梁明, 陳敬謙 申請人:中國電器科學(xué)研究院