基于ATtiny13的模擬量隔離采集

1 概 述
??? 在工控應(yīng)用中，模擬信號(hào)采集通常需要采用隔離技術(shù)，以避免大型電氣設(shè)備啟合或切換過(guò)程中造成的電源和地線波動(dòng)影響弱電控制系統(tǒng)。常見(jiàn)的模擬量隔離方法主要有隔離放大器、電磁隔離和光電隔離3種方式。隔離放大器，精度很好，但成本高；電磁隔離，設(shè)備體積較大，精度較差。
??? 光電隔離技術(shù)是一種非常有效的抗干擾手段。光耦作為常見(jiàn)的光電隔離器件，主要用于數(shù)字量隔離傳輸。如果使用光耦傳輸模擬量，那么要求光耦的非線性度非常小，以保證輸入的模擬信號(hào)的線性，絕大部分的光耦都很難達(dá)到。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的光電隔離采集，必須先進(jìn)行模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換，才能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)由光耦傳遞給下一級(jí)電路。
??? 傳統(tǒng)方法，直接使用A／D芯片進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)光耦傳輸。按接口形式，A／D芯片可分并行和串行訪問(wèn)2種方式。并行A／D芯片采集精度越高，并行數(shù)據(jù)線占用的光耦數(shù)目越多，而且需要配以控制A／D轉(zhuǎn)換操作相應(yīng)的隔離信號(hào)，這種方式接線多，占用資源也多；串行A／D芯片可以節(jié)省不少光耦，但需要復(fù)雜的時(shí)序才能完成對(duì)A／D的讀寫操作。
??? 本文提出一種使用集成A／D的微型單片機(jī)AT-tiny13進(jìn)行模擬量隔離采集，使用單根數(shù)據(jù)線完成數(shù)據(jù)傳輸。模擬量隔離采集采用了簡(jiǎn)化的UART通信方式，即單工通信方式，只需要發(fā)送線TXD，無(wú)需接收線RXD。這樣，單根數(shù)據(jù)線就能承擔(dān)發(fā)送A／D轉(zhuǎn)換值任務(wù)，接收方只要具備硬件UART或軟件UART(接收)，就可以輕松獲取隔離模擬量值。

2 ATtiny13簡(jiǎn)介
??? ATtiny13具有1 KB Flash，64字節(jié)EEPROM，64字節(jié)SRAM，6個(gè)通用I／O口線，32個(gè)通用工作寄存器，1個(gè)具有比較模式的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，片內(nèi)／外中斷，以及4路10位ADC。

3 硬件設(shè)計(jì)
??? 模擬量隔離采集電路如圖1所示。ATtiny13有2路10位ADC可控選擇，本設(shè)計(jì)中只使用了1路ADC。光耦PC817用于傳輸A／D轉(zhuǎn)換值。CLKI代表從外部引入的時(shí)鐘源。

4 軟件UART
??? ATtiny13內(nèi)部沒(méi)有集成UART功能。為了彌補(bǔ)這一缺陷，可以使用軟件控制I／O引腳模擬UART功能，按照設(shè)定的采集速率將A／D轉(zhuǎn)換值經(jīng)光耦隔離輸出。
4．1 異步串行協(xié)議
??? 采用UART異步串行協(xié)議通信時(shí)，數(shù)據(jù)按順序逐位輸出。接收方通過(guò)監(jiān)測(cè)起始位(低電平有效)和停止位(高電平有效)來(lái)判斷一幀信息的起始與結(jié)束。數(shù)據(jù)幀中還可包括若干數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。異步串行協(xié)議的起始位與停止位必須使用，其余各位可調(diào)整位長(zhǎng)度。異步串行協(xié)議格式如下：

??? 本文定義幀格式為：起始位(1位)，數(shù)據(jù)位(5位)，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，停止位(1位)。ATtiny13自帶精度為10位的A／D轉(zhuǎn)換器，而數(shù)據(jù)位設(shè)定為5位寬度，所以需要連續(xù)發(fā)送2次異步串行通信幀，才能將一次A／D轉(zhuǎn)換值傳送完整。按照高位先出的方法，前1次發(fā)送A／D轉(zhuǎn)換值的高5位，后1次發(fā)送低5位。

4．2 波特率設(shè)置
??? 波特率是UART異步串行通信中非常重要的參數(shù)。通信雙方必須以約定好的速率通信，才能保證通信成功。波特率與異步串行協(xié)議中“位”所占用的時(shí)間密切相關(guān)。對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，數(shù)據(jù)幀中每一位的占用時(shí)間就是波特率的倒數(shù)。因此，如何精確確定每一位的時(shí)間寬度，成為確保串口通信成功的關(guān)鍵因素。
??? ATtiny13沒(méi)有集成UART，但內(nèi)部含有一個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，可利用軟件控制該定時(shí)器產(chǎn)生波特率。MCU自帶的RC振蕩器可以作為時(shí)鐘源，但是振蕩頻率存在最大±10％的誤差，并且受溫度影響較大。這樣會(huì)造成波特率不穩(wěn)，通信時(shí)可能出現(xiàn)接收不到數(shù)據(jù)，或者丟數(shù)據(jù)位、出現(xiàn)亂碼和錯(cuò)碼的情況。ATtiny13從外部引入了7．372 8 MHz有源晶振時(shí)鐘信號(hào)，從而保證了主時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性。
??? 異步通信波特率可按式(1)計(jì)算。
???
??? 式中：XTAL為引入的主時(shí)鐘頻率；Baud為需設(shè)置的波特率；C為定時(shí)器時(shí)鐘分頻系數(shù)；n為8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的預(yù)加載比較值。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器工作在CTC模式(比較匹配時(shí)清零定時(shí)器)。
??? XTAL即7．372 8 MHz，Baud設(shè)定為9 600，定時(shí)器時(shí)鐘信號(hào)為主時(shí)鐘4分頻(即C=4)，可得n=192。據(jù)此，8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器從0計(jì)到192時(shí)，產(chǎn)生比較中斷，軟件控制發(fā)送新的一位信息。
4．3 數(shù)據(jù)發(fā)送
??? UART異步串行協(xié)議規(guī)定了在沒(méi)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，通過(guò)邏輯“1”表示目前處于閑置狀態(tài)。如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，首先將發(fā)送線TXD拉低成邏輯“0”，并保持一個(gè)基本時(shí)間單位；之后根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)值，依次逐位輸出。本設(shè)計(jì)中未使用奇偶校驗(yàn)位，相關(guān)處理略去。5位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，緊接著將TXD拉高為邏輯“1”，表示該幀結(jié)束。軟件UART發(fā)送流程如圖2所示。

??? 函數(shù)Uart_SendByte(unsigned char data)實(shí)現(xiàn)了上述功能，一次發(fā)送5位數(shù)據(jù)。在模擬量隔離采集中，單片機(jī)不斷地獲取A／D轉(zhuǎn)換值，并通過(guò)調(diào)用上述函數(shù)發(fā)送出去。

結(jié) 語(yǔ)
??? 本文介紹一種基于ATtiny13的模擬量隔離采集電路，受ADC最大采樣速率及光耦PC817傳輸帶寬的限制，只適用于頻率變換緩慢的模擬信號(hào)。該電路體積小、成本低、接線簡(jiǎn)單，已用于開(kāi)關(guān)電源成品檢測(cè)。