石坤+鄭毅

摘 要：在單片機原理及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，給出了一種創(chuàng)新性實驗案例——基于51單片機的高速測控系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)主要由P89C51RB2單片機、TLC5510A/D轉(zhuǎn)換器和TLC7528D/A轉(zhuǎn)換器等器件組成，對系統(tǒng)進行了軟件和硬件設(shè)計，并對制作的系統(tǒng)進行了測試及分析。通過該創(chuàng)新性實驗系統(tǒng)設(shè)計，學(xué)生不僅能掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識，而且學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力也得到提升。

關(guān)鍵詞：單片機；創(chuàng)新實驗；測控

創(chuàng)新性實驗是高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分，旨在探索并建立以問題和課題為核心的教學(xué)模式，改變目前高等教育培養(yǎng)過程中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，動手能力不強的現(xiàn)狀，推廣研究性學(xué)習(xí)和個性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高其創(chuàng)新實踐的能力[1]。

基于51單片機的高速測控系統(tǒng)設(shè)計是學(xué)生進行單片機基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)后開展的創(chuàng)新性實驗項目，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自主進行具有一定研究性的學(xué)習(xí)，以幫助學(xué)生更深層次理解單片機的原理與設(shè)計方法。該高速測控系統(tǒng)正是基于以上因素設(shè)計的，它主要由A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510、P89C51RB2單片機、D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528組成[2]。

1 高速測控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

高速測控系統(tǒng)硬件電路分為高速數(shù)據(jù)采集和高速數(shù)據(jù)輸出兩部分，為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集及處理，選用P89C51RB2單片機為數(shù)據(jù)采集處理的控制核心，P89C51RB2單片機每個機器周期為6個時鐘周期，運行速度是普通的80C51的2倍，晶振頻率可達22MHz，有16KB的FLASH ROM和512B的RAM，支持串行ISP和IAP功能。高速測控系統(tǒng)如圖1所示[3，4]。

數(shù)據(jù)采集部分的核心器件采用TI公司的TLC5510，是一種8位高阻抗并行A/D芯片，最小采樣率為20MSPS，采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，減少了器件中比較器的數(shù)量，在高速轉(zhuǎn)換的同時能夠保持較低的功耗。數(shù)據(jù)輸出部分的核心器件采用TI公司的TLC7528，該器件是雙路、8位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可達到10M，具有單獨的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器。該器件能方便地與大多數(shù)通用微處理器總線和輸出端口相接口，功耗小于15mw，工作于電壓方式。

2 高速測控系統(tǒng)調(diào)試及分析

現(xiàn)以某一學(xué)生制作的電路板為例，對其設(shè)計的高速測控系統(tǒng)電路板進行調(diào)試及分析。

2.1 信號采集功能的調(diào)試及分析

為檢驗制作的測控系統(tǒng)采集信號的電壓范圍，以及系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換的實際線性度，以0～2V電壓作為隨機輸入信號，進行了測控系統(tǒng)信號采集實驗。根據(jù)實驗的多次測量數(shù)據(jù)，制作信號采集實驗曲線圖，如圖2所示。

從圖2中，可以很明顯地看出，測控系統(tǒng)采集的信號電壓范圍是0.29～2.15V，A/D轉(zhuǎn)換基本呈線性比例關(guān)系。同時，從圖2中，也可以看出，制作的測控系統(tǒng)采集部分還有不足之處：與設(shè)計的信號采集電壓范圍0～2V相比，測控系統(tǒng)采集的信號電壓范圍整體向上偏移；系統(tǒng)采集時易受外界的干擾，抗干擾能力需要提高。

2.2 信號輸出功能的調(diào)試及分析

為檢驗制作的測控系統(tǒng)輸出部分D/A轉(zhuǎn)換的實際線性度，以及輸出信號的波形形狀和穩(wěn)定等情況，以10K正弦波為例，進行了測控系統(tǒng)信號輸出實驗。輸出的波形如圖3所示。

通過輸出的波形可以看出，波形基本成線性比例關(guān)系，波形也較穩(wěn)定，但輸出部分還有不足之處，主要表現(xiàn)在：輸出的波形雖然穩(wěn)定，但還有一些小的毛刺，輸出的波形部分較好，但波形整體不夠光滑，需要改進信號輸出部分的濾波器及其它相關(guān)電路。

2.3 測控系統(tǒng)總體分析

根據(jù)測控系統(tǒng)信號采集和輸出實驗，可以看出，學(xué)生制作的測控系統(tǒng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換基本成線性比例關(guān)系，采集的信號電壓范圍基本與設(shè)計的相符，輸出信號的波形也很較穩(wěn)定，但是從測控系統(tǒng)總體角度考慮，可以看出制作的測控系統(tǒng)還有不足：易受外界的干擾，濾波器及相關(guān)電路的設(shè)計還要改進等。針對這些不足，在測控系統(tǒng)后續(xù)研究時，可以嘗試采用下列措施：采用多層板布線，以減小電源、地的干擾；增加電源線、地線寬度；選用性能好的去耦電容；改進濾波器的設(shè)計。

3 結(jié)論

基于A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510、P89C51RB2單片機、 D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528等器件設(shè)計的高速測試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，具有高速數(shù)據(jù)采集和一定的數(shù)據(jù)處理功能，涉及了單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和實驗測試等整個過程。該實驗設(shè)計作為創(chuàng)新性實驗案例，已在我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)單片機原理及應(yīng)用課程教學(xué)過程中得以實施，取得了良好的教學(xué)效果，既鍛煉了學(xué)生的實踐能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

基金項目：陜西省教育廳自然科學(xué)專項（15JK1521），西安理工大學(xué)特色科學(xué)研究計劃（2013TS003）。

參考文獻

[1] 白璐，田曉柱，牛炳韜等. 大學(xué)生創(chuàng)新性實驗對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的研究[J].實驗室研究與探索，

2015，34（4）： 161-164.

[2] 石坤，魏鋒濤. 一種基于P89C51RB2 的振動主動控制系統(tǒng)[J].機電工程技術(shù)，2008，37（1）： 61-64.

[3] Philips. P89C51RB2/ P89C51RC2/ P89C51RD2 80C51 8-bit Flash microcontroller family [EB/OL]. 1999.

http：// www.nxp.com.

[4] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔. 電子設(shè)計從零開始[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.endprint