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CN105388805B - 基于spi总线的测量控制系统 - Google Patents

基于spi总线的测量控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于SPI总线的测量控制系统，旨在提供一种电路简单、兼容性强、通用性好、可扩展性强、软件复用性好的测量控制系统。本发明通过下述技术方案予以实现：数据处理模块电连接片选信号模块，片选信号模块输出端并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，通过数据处理模块，并联输出端连接数据处理模块，数据处理模块向选中模块发送控制命令实现两者之间的数据传输，进而实现A/D采样、数据存取以及开关量识别功能；数据存取模块数据处理模块将测量控制系统状态、实时重要参数通过SPI总线写入到数据存取模块中；A/D采样模块将转换结果通过SPI总线回送到数据处理模块进行处理。

Description

基于SPI总线的测量控制系统
技术领域
本发明涉及一种为飞机、汽车、轮船等系统提供模拟量采集接口、关键数据存取接口、开关量信号采集接口，基于串行外围设备接口SPI(Serial Peripheral Interface)总线的测量控制系统。
背景技术
随着微处理器的发展及其在各领域的广泛应用，在现代控制、通信及检测等领域对电子测量技术和电子仪器系统提出越来越高的要求，对测试速度和精确度的要求也与日俱增。测试系统主要包括对实时数据的高速采集、现场显示和分析处理3部分，其中最重要的一环就是实时数据高速采集，因为它关系到能否真实反映被测对象的状态和性能。目前采用SPI总线接口的芯片越来越多，在仪器仪表、工业控制、数字家电等方面普遍得到应用。SPI串行外设接口总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。可以使单片机与各种外围设备(如FLASHRXM、网络控制器、A/D转换器和MCU等)以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线系统可直接与多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线SCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MISO和低电平有效的从机选择线CS。数据采集系统检测的信号是低频缓变信号，信号经过A/D转换器处理后通过SPI总线与微处理器进行数据传输，在微处理器中对所采集数据进行处理，并在LCD上显示处理结果，实现对低频缓变信号的实时监测。
为了提高无线数据传输系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术，由于无线数据传输系统的实际对象往往都是一些模拟量，然而绝大多数控制器无法直接处理模拟信号，因此需要A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号。在采用并行A/D转换芯片中，A/D转换芯片的接口电路比较繁琐，且要占用太多I/O引脚。
在微机测控系统中，通常要用A/D转换器把现场现与具有SPI总线接口功能的各种L/O器件直接接口，可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接J器件和L/O口线，提高设计的可靠性。利用SPI总线可以构成各种系统，如一个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)、一个主MCU和几个从L/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可以使用一个MCU作为主控机来控制数据，并向一个或多个外围器件传送该数据。SPI总线结构系统的工作原理是模拟信号转换为数字信号，把数字量传输给单片机以便进行信号检测，达到控制目的。当检测信号为高频信号时通常并行扩展一片或多片A/D转换器；当检测信号为低频缓变信号时，串行扩展A/D芯片不仅节省成本，而且提高系统的可靠性。
随着微处理器的发展及其在各领域的广泛应用，人们对电子测量技术和电子仪器系统提出越来越高的要求，对测试速度和精确度的要求也与日俱增。测试系统主要包括对实时数据的高速采集、现场显示和分析处理三部分，其中最重要的一环就是实时数据高速采集，因为它关系到能否真实反映被测对象的状态和性能。为了满足SPI总线的测量控制系统的指标、提高数据的精确性采样和系统的抗干扰能力，现有技术往往采用外部数据存储器保存用户程序文件和用户原始数据，保存系统运行时的各种状态信息以及中间结果。现有技术采用外部数据存储器扩展方法一般采用并行方式进行扩展，该方式占用控制器太多的资源。一般的微控制芯片SPI接口的个数不能满足实际需求。一是可以选择具有多个SPI接口的控制器，二是通过译码器扩展电路实现SPI接口的扩展，但是第一种方案成本就会增加，而第二种方案可以较好的解决成本问题。在掉电数据保护的场合，需要更快速率进行数据传输，传统的方法无法满足要求。
在控制系统中，常常会接收其他设备的开关量信号以响应某事件的发生，一般是将其与控制器的I/O口相连，通过读取I/O口状态来识别，然而一个系统中开关量信号数量少则几个，多则数十个，通过I/O口来识别开关量信号是不现实的。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的硬件电路设计方法占用资源多、接口复杂、扩展性差等缺点，提供一种电路简单、兼容性强、通用性好，访问速率快、扩展能力强的测量控制系统。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种基于SPI总线的测量控制系统，包括电源模块、含有微处理器的数据处理模块、具有可扩展SPI接口器件个数的片选信号模块、A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，其特征在于：数据处理模块电连接片选信号模块，片选信号模块输出端并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块通过数据处理模块，并联输出端连接数据处理模块，数据处理模块通过SPI总线，对同一时刻只能有一个片选信号有效来控制片选信号模块产生片选信号，向选中模块发送控制命令实现两者之间的数据传输，进而实现A/D采样、数据存取以及开关量识别功能；数据存取模块数据处理模块将测量控制系统状态、实时重要参数通过SPI总线写入到数据存取模块中，将数据读出用于分析；数据处理模块通过SPI总线向A/D转换器发送模拟量到数字量转换的控制命令，A/D采样模块将采样选信号模拟量转换为数字量，并将转换结果通过SPI总线回送到数据处理模块进行处理；开关量识别模块通过微控制器的引脚输出转换时序，从SPI总线读取微控制器串行输入/输出移位寄存器输出的串行数据，通过SPI总线读取微控制器串行输入/输出移位寄存器输出的串行数据，得到外部信号的输入状态，最后通过SPI总线读取12位数据并对其进行处理。
本发明相比于现有的测量控制系统，具有如下有益效果：
电路简单。本发明基于SPI串行接口的单片机对A/D转换芯片、FRAM存储芯片、移位寄存器等外围功能芯片进行读写操作，完成模拟量到信号量的转换、实时参数及其数据保存以及外部开关信号读取等功能的测量控制系统。数据处理模块通过片选信号模块，并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，极大的简化了硬件电路设计。各器件间的连接简洁明了，简化了测量控制系统。系统中核心器件均带有SPI接口，用SPI总线来实现数据的读取，SPI总线只需要3～5根线即可实现输入/输出，能够满足数据采集系统的要求。
具有硬件结构简单，软件编程容易的特点。由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因此，采用SPI总线接口不仅可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性，而且SPI总线可在软件的控制下构成各种系统，
兼容性强、通用性好。本发明在数据处理模块中采用微控制器通过SPI总线向A/D转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，开关量识别模块通过微控制器的引脚输出转换时序，通过SPI总线读取串行数据，增强了系统的兼容性和通用性。
访问速率快。本发明采用一种最大传输频率为系统时钟fOSC的1/4的高速全双工同步通信SPI总线，增加了微控制器访问外设的速率，同时可以与系统外的设备通过SPI总线进行高速通信。
可扩展能力强。本发明数据处理模块通过具有可扩展SPI接口器件个数的片选信号模块，并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，增加了系统的可扩展性。由于片选信号信号模块决定了可扩展具有SPI接口的器件的个数，片选信号有多少个，就可以扩展多少个器件，大大增加了系统的可扩展能力。
本发明由于各模块均采用SPI总线方式，只需选用具有SPI接口的功能芯片挂载到SPI总线上即可完成系统扩展，从而简化了硬件电路设计，同时软件上可以完全复用SPI相关代码，软件复用性较好，可缩短软件开发周期。
本发明通过只有1个SPI接口的微控制芯片控制外部数据存储器、A/D转换芯片以及移位寄存器等多个具有SPI接口的外围器件，可以为飞机、汽车、轮船等系统提供模拟量采集接口、关键数据存取接口、开关量信号采集接口。
附图说明
图1是基于SPI总线的测量控制系统的电路原理示意图。
图2是图1数据处理模块电路原理示意图。
图3是图1片选信号模块电路原理示意图。
图4是图1开关量识别模块电路原理示意图。
图5是图4连接的隔离电路原理示意图。
图6是图1数据存取模块电路原理示意图。
图7是图1 A/D采样模块电路原理示意图。
图8是图1电源模块电路原理示意图。
具体实施方式
在以下实施例中将进一步举例说明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而对本发明没有限制。
在图1中，基于SPI总线的测量控制系统包括电源模块、含有微处理器的数据处理模块、具有可扩展SPI接口器件个数的片选信号模块、A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，其中：数据处理模块可以采用带有联合测试行为组织JTAG接口和通讯接口的AVR单片机D101作为数据处理器，JTAG接口作用是外部设备通过JTAG接口对AVR单片机进行现场编程和模拟仿真，数据处理器可以是型号为ATMEGA128的单片机，数据处理器ATMEGA128只有一个SPI接口，为了能控制多个具有SPI接口的外围器件，该数据处理器可以采用3-8译码器来实现最大可以支持扩展8个具有SPI接口的器件，可以通过更换译码器或增加译码器扩展更多具有SPI接口的器件。
数据处理模块由单片机D101、电源接地并联滤波电容C103、C136和C137、晶振G101，晶振G101负载电容C101、C102、以及用于程序下载的JTAG仿真插座构成的外围元器件组成，晶振G101为石英晶体振荡器；片选信号模块由3-8译码器D102和电源滤波电容C104组成。
A/D采样模块用于将模拟量转换为数字量，数据处理模块通过具有可扩展SPI接口器件个数的片选信号模块，并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，所述A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块通过SPI总线电连接数据处理模块，在数据处理过程前后产生的数据通过SPI总线写入到数据存取模块；数据处理模块中的微控制器通过SPI总线向A/D转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，数据存取模块基于微控制器的SPI串行接口对FRAM存储芯片的读写操作，完成实时参数及其数据保存，开关量识别模块通过微控制器的引脚输出转换时序，待转换完成后，从SPI总线读取微控制器的串行数据，最后通过SPI总线读取12位数据并对其进行处理。
在图2中，数据处理模块可以采用AVR单片机D101作为数据处理器，该数据处理器可以选用型号为AVR_MEGAI128功能系列的单片机。数据处理模块可以由单片机D101、接地并联电容C103、引脚并联晶振G101，晶振G101并联电容C101、C102、引脚并联C136和C137的外围元器件组成，用以识别来自外部的开关量信号、对8个模拟信号通道进行采样和将系统重要的数据，存入外部数据存储器以及从外部数据存储器中读取表格数据或者系统运行期间写入的数据；数据处理模块通过JP101组成JTAG接口，作用是外部设备可以通过JTAG接口对AVR单片机进行现场编程和模拟仿真。
控制多个具有SPI接口的外围器件，可以通过片选信号模块来实现。数据处理模块通过SPI总线读取来自外部开关量识别模块的开关量信号、8个外部模拟信号通道的采样数据通过A/D采样模块，以及外部数据存储器中的表格数据或者系统运行期间写入的数据；同时，数据处理模块通过SPI总线将系统重要的数据，写入外部数据存储器。
在图3中，片选信号模块可以选用型号为CD74C137NS功能系列的芯片电路。该片选信号模块主要由片选信号电路D102和并联在电源引脚VCC与地线或0线公共端GND引脚之间的电容C104组成，由于AVR单片机只有一个SPI接口，为了能控制多个SPI接口外围器件，因此可以采用3-8译码器来实现，本实施例的最大可以支持扩展8个SPI接口的器件，若需要扩展更多的SPI接口的器件，则需更换译码器即可。
在图4中，开关量识别模块可以由电源引脚VCC并联电容C110的8位移位寄存器D103构成的开关量识别电路组成。开关量识别模块作用是可以将8个引脚的状态转换为一个字节数据，等待数据处理模块读取，该开关量识别电路至多能识别8个开关量信号，若需要识别更多的开关量信号，则可以扩展多个移位寄存器即可。为对D103的输入输出信号进行隔离保护，可以通过图5所示的固态继电器D110引脚输出线并联电阻R113、电容C113，模拟地AGND、输出CARRY引脚输出线并联电容C114和并联接点电连接的电阻R114，以及引脚输出线通过电阻R104并联电容C124，引脚输出线电连接的电阻R103组成隔离电路，其中R113，R114是上拉电阻，电容C113、C114、C124用于过滤杂波，而R103和R104为限流电阻。
在图6中，数据存取模块实质为带SPI总线接口的外接数据存储器，可将测量控制系统状态、实时参数等重要参数通过SPI总线写入到数据存取模块中，可通过SPI总线将数据读出用于分析。数据存取模块可以采用由铁电存储器D105和其电源引脚VCC与HOLD控制输出线并联接点上电连接的钽电容C128和C108构成的并联电路组成。数据处理模块处理后的数据可以通过SPI总线写入到铁电存储器中，也可通过SPI总线从存储器中读取相关数据参与运算。
在图7中，A/D采样模块可以采用由转换芯片D106及其引脚输出线与模拟地AGND串联钽电容C130接点电连接且带有电容C111模拟地AGND并联回路的基准源D108、并联REFADADJ输出线的电容C122、电源引脚VCC电连接钽电容C129、电容C109电容并联回路组成，其中C111和钽电容C130为A/D转换芯片D106提供基准电压，钽电容C129、电容C109和C122可以滤除电源杂波。数据处理模块通过SPI总线向A/D转换芯片写入相应的控制命令实现转换，并将结果通过SPI总线回送到数据处理模块进行处理。
在图8中，电源模块包括滤波电路、储能电路和DC-DC变换电路，电源滤波器N301滤除电源杂波，提高电磁兼容能力；电源滤波器N301通过并联线路上的大容量并联钽电容C402接点电连接的电阻R401与二极管V401构成的并联回路，在电源出现浪涌和瞬时掉电时，保护后端电路；电源模块N201进行DC-DC转换，为其他模块提供稳定的直流电源。

Claims (10)

1.一种基于SPI总线的测量控制系统，包括电源模块、含有微处理器的数据处理模块、具有可扩展SPI接口器件个数的片选信号模块、A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，其中，片选信号模块由3-8译码器D102和电源滤波电容C104组成，开关量识别模块包括由电源引脚VCC并联电容C110的移位寄存器D103构成的开关量识别电路，其特征在于：移位寄存器D103的输入输出信号通过固态继电器D110引脚输出线并联的过滤杂波电容C113电连接的上拉电阻R113，模拟地AGND通过CARRY引脚输出线并联的过滤杂波电容C114及其并联接点电连接的上拉电阻R114，以及通过输入引脚线1串联的限流电阻R103，输入引脚线3、4并联的过滤杂波电容C124及其并联接点电连接的限流电阻R104 组成的隔离电路进行隔离保护；数据处理模块电连接片选信号模块，片选信号模块输出端并联接A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块，A/D采样模块、数据存取模块和开关量识别模块并联输出端连接数据处理模块，数据处理模块处理后的数据通过SPI总线写入到铁电存储器中或从存储器中读取相关数据参与运算，对同一时刻只能有一个片选信号有效来控制片选信号模块产生片选信号，向选中模块发送控制命令实现两者之间的数据传输，进而实现A/D采样、数据存取以及开关量识别功能；数据处理模块将测量控制系统状态、实时重要参数通过SPI总线写入到数据存取模块中，将数据读出用于分析，数据处理模块中的微处理器通过SPI总线向A/D采样模块发送模拟量到数字量转换的控制命令，A/D采样模块将采样选信号模拟量转换为数字量，并将转换结果通过SPI总线回送到数据处理模块进行处理；开关量识别模块将各个引脚的状态转换为等待数据处理模块读取的一个字节数据，通过微处理器的引脚输出转换时序，待转换完成后，从SPI总线读取微处理器串行输入/输出移位寄存器输出的串行数据，微处理器得到外部信号的输入状态，最后，数据处理模块通过SPI总线读取12位数据并对其进行处理。
2.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：电源模块包括滤波电路、储能电路和DC-DC变换电路，电源滤波器N301滤除电源杂波，通过并联线路上的大容量并联钽电容C402接点电连接的电阻R401与二极管V401构成的并联回路，在电源出现浪涌和瞬时掉电时，保护后端电路。
3.如权利要求2所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：数据处理模块带有联合测试行为组织JTAG接口和通讯接口，该数据处理模块采用AVR单片机D101作为数据处理器，通过SPI总线向A/D转换芯片写入相应的控制命令实现转换，并将结果通过SPI总线回送到数据处理模块进行处理。
4.如权利要求3所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：数据处理模块由单片机D101、电源接地并联滤波电容C103、C136和C137、晶振G101，晶振G101负载电容C101、C102、以及用于程序下载的JTAG仿真插座构成的外围元器件组成，晶振G101为石英晶体振荡器。
5.如权利要求1或2所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：数据处理模块通过SPI总线读取来自外部开关量识别模块的开关量信号、8个外部模拟信号通道的采样数据通过A/D采样模块，以及外部数据存储器中的表格数据或者系统运行期间写入的数据；同时，数据处理模块通过SPI总线将系统重要的数据，写入外部数据存储器。
6.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：A/D采样模块采用转换芯片D106及其引脚输出线REF与模拟地AGND串联钽电容C130及其通过接点电连接基准源模块D108输出线，且带有电容C111模拟地AGND并联回路的基准源D108，转换芯片D106的引脚输出线REFADADJ并联+5V输出线SHDN及其电容C122，并通过电源引脚VCC电连接钽电容C129、电容C109电容组成的并联回路，其中，电容C111和钽电容C130为A/D 转换芯片D106提供基准电压，钽电容C129、电容C109和C122可以滤除电源杂波。
7.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：为了能控制多个具有SPI接口的外围器件，数据处理器采用3-8译码器来实现最大可以支持扩展8个具有SPI接口的器件，通过更换译码器或增加译码器扩展更多具有SPI接口的器件。
8.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：开关量识别模块由电源引脚VCC并联电容C110的8位移位寄存器D103构成的开关量识别电路组成；为对D103的输入输出信号进行隔离保护，由固态继电器D110和外围器件组成。
9.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：数据存取模块采用铁电存储器D105和其电源引脚VCC与HOLD控制输出线并联接点上电连接的钽电容C128和C108构成并联电路。
10.如权利要求1所述的基于SPI总线的测量控制系统，其特征在于：SPI总线的测量控制系统通过3～4位数据线和控制各种I/O接口器件，而扩展并行总线通过具有SPI接口的功能芯片挂载到SPI总线上，用8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线扩展更多SPI接口的器件。
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