基于STC12C5410AD设计10位高精度ADC

摘要：在此主要基于机内测试技术实际需求，为了能够实现监测点模拟信号的提取和转换，设计了模数转换器。运用STC12C5410AD芯片，设计了ADC硬件，同时为了达到快速稳定的性能，软件设计运用了滑动滤波算法。实现了模拟电压信号转换成10位精准稳定的数字信号。
关键词：机内测试技术；数／模转换器；滑动滤波器；单片机；STC12C5410AD

0 引言
测试性(Testability)是指：产品能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降)和隔离器内部故障的设计特性。1976年，F．L iour等人在《设备自动测试性设计》一文中首次提出了测试性的概念。随后，测试性相继用于诊断电路的设计和其他各个领域。随着装备的复杂程度和技术含量越来越高，维修性、测试性对装备的作战能力、生存能力、机动性、维修人员产生了越来越重要的影响。
在信息高速发展的时代，现代雷达装备的机内测试技术(Built-in Technology，BIT)追求实时性、准确性、高效性。因此需要状态监测中的信号采集技术拥有高速、稳定的特性。雷达装备中的许多非电物理量(如温度、压力等等)和一些其它电参量(如电容、电阻、功率等等)都可以变成电压形式，并借助ADC(模／数转换器)得到稳定的高精度的数字信号，为信号特征分析提供可靠保证。
运用单片机实现各种需求的ADC的技术已经被广泛应用，并且技术日渐成熟稳定。为了满足不同信号处理和信号检测等要求，诞生了大量的结构不同，性能不一的单片机数据采集电路。主流趋势不外乎2种算法：逐次比较数模转换器和双积分型数模转换器。各有不同的优缺点，在不同领域有十分广泛的应用。本论文从稳定性考虑，选择了运用逐次比较数模转换器的单片机：STC12C5410系列。

1 硬件设计
1．1 STC12C5410AD
芯片的选择直接关系到硬件电路的设计和机内测试系统的灵敏度，而单片机STC12C5410AD是高速、低功耗的新一代增强型8051单片机，如图1所示。

STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核结构上进行了较大改进推出的一款增强型8051单片机。STC12单片机从内核到指令，完全兼容8051的单片机；C代表工作电压在5．5～3．8V；12代表CPU同样的工作频率时，速度是8051的12倍；54代表RAM是512B，PCA／PW M是4路；10代表程序存储空间大小10 KB。AD表示有A／D转换功能，共计有8个ADC口，分别是P1．0～P1．7。可以通过编程设定其中任意一路为A／D转换口(需要将选中的I／O口设定为开漏和高阻模式)和设定转换速率，最快转换速率为210个时钟周期／次(最快速度可达200kHz)，另外3种选择为420个时钟周期／次，630个时钟周期／次，840个时钟周期／次。
I／O口共计23个接口，分别是P1口8个、P2口8个、P3口7个；
有内置复位电路，可以通过软设计进行复位。
1．2 电路设计
电路原理图如图2所示，STC12C5410AD芯片内部晶振为5．2～6．8 MHz，为了提高精确度，设计时可以采用外接晶振，晶振可以根据实际情况选固定值。STC12C5410AD可以保证10位精确度的数字信号输出，刚好符合设计要求。供电电压电路采用的是9805稳压电路器，为了提高转换输出精确度，也可采用LM317稳压器的供电电路，调节输出电压达到STC12C5410AD的设计精准要5 V。A／D转换电路的输入电压为0～5 V，用电位器进行调节输入，设计电路实时跟进，转换输出稳定信号。

将串行口RXD与TXD外接MAX232，与PC相连，便于烧写和修改程序以及程序的在线调试，输出结果的在线监测。并行输出口选择P2．0～P2．7(高8位)，P1．0～P1．1(低2位)，每个管脚外接一个LED灯，便于观察管脚是否能够正常输出高低电平。A／D转换接口选择P1．7，外接接地电容后可以直接与调节电位器相连，调节电压范围为0～5 V。

2 软件设计
2．1 寄存器的相关设置
STC12C5410AD单片机要实现上述设计，必须对相关寄存器进行设置：
通过设置P1M0，P1M1两个寄存器对P1口选择作为A／D转换的输入口进行设置，比如若是选择P1．7，则设置：
P1M0=0x80；
P1M1=0x80；
选择I／O口模式为开漏(Open Drain)，可以作为A／D使用，还可以选择高阻输入，设置为：
P1M0=0x80；
P1M1=0x00；
ADC_CONTR特殊功能寄存器，从高到底依次表示：
ADC_POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG CHS2CHS1 CHS0；
选择P1．7作为A／D输入管脚需将CHS2／CHS1／CHS0设置为：
CHS2=1；
CHS1=1；
CHS0=1；
SPEED1／SPEED0是数／模转换速率控制位，为了达到最快的转换速率，本设计采用210个时钟周期转换一次，设置为：
SPEED1=1；
SPEED0=1；
ADC_FLAG位，为模／数转换结束标志位，转换结束后自动跳变为“1”，需软件清零；
ADC_START，为ADC开始控制位，设置为：
ADC_START=1； ／／模／数转换开始
ADC_DATA，ADC_LOW2分别是10位模／数转换结果的高8位和低2位的寄存器。转换计算公式为：
(ADC_DATA[7：0]，ADC_LOW2[1：0])=1 024*Vin／Vcc；
式中：Vin为模拟输入通道的输入电压；Vcc为单片机的供电电压，由单片机的供电电路9805或者LM317稳压电路输出端决定。
2．2 软件调试
A／D初始化子程序和启动A／D转换的子程序：


3 结语
机内测试系统在装备系统中所占比例不得超过装备的10％，否则会影响装备的正常运行。在信号采集中，硬件设计的简化尤其重要。本设计不但达到设计电路的精简元器件且多个测试点共用的要求。10位精度的ADC分辨率理论上可达到1／1 024，为了能够稳定的输出频率，试验中加入了中转寄存器保持转换结果，同时运用滑动滤波器消除不稳定信号的噪声影响。最后试验结果可保持长时间稳定输出，达到试验预期要求。同时最低位能够连续跳变，保证输出的连续性和准确性。本设计对模数转换器的高精度要求，在调试过程中需对STC12C5410AD单片机的供电电压进行微调。设计中运用LM317稳压器供电电路，调节输入电压，保证电压精确稳定在5 V，所达到效果和效率远远高于雷达装备的BIT的模数转换要求。同时该设计简单有效，且故障率低，能够持续保持稳定工作。该设计在保证设计要求条件下优化了硬件电路设计，精简元器件，降低成本和实际电路运行的故障率。本设计的不足之处有两点：集成化程度还是太低，解决方法是采用贴片小板设计；没用同时处理信号的能力。后续研究将主要针对这两点对其进行改进。