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传统方法，直接使用A／D芯片进行模／数转换，然后经光耦传输。按接口形式，A／D芯片可分并行和串行访问2种方式。并行A／D芯片采集精度越高，并行数据线占用的光耦数目越多，而且需要配以控制A／D转换操作相应的隔离信号，这种方式接线多，占用资源也多；串行A／D芯片可以节省不少光耦，但需要复杂的时序才能完成对A／D的读写操作。
本文提出一种使用集成A／D的微型单片机AT-tiny13进行模拟量隔离采集，使用单根数据线完成数据传输。模拟量隔离采集采用了简化的UART通信方式，即单工通信方式，只需要发送线TXD，无需接收线RXD。这样，单根数据线就能承担发送A／D转换值任务，接收方只要具备硬件UART或软件UART(接收)，就可以轻松获取隔离模拟量值。 |
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2 ATtiny13简介
ATtiny13具有1 KB Flash，64字节EEPROM，64字节SRAM，6个通用I／O口线，32个通用工作寄存器，1个具有比较模式的8位定时器／计数器，片内／外中断，以及4路10位ADC。 |
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3 硬件设计
模拟量隔离采集电路如图1所示。ATtiny13有2路10位ADC可控选择，本设计中只使用了1路ADC。光耦PC817用于传输A／D转换值。CLKI代表从外部引入的时钟源。 |
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4 软件UART
ATtiny13内部没有集成UART功能。为了弥补这一缺陷，可以使用软件控制I／O引脚模拟UART功能，按照设定的采集速率将A／D转换值经光耦隔离输出。 4．1 异步串行协议 采用UART异步串行协议通信时，数据按顺序逐位输出。接收方通过监测起始位(低电平有效)和停止位(高电平有效)来判断一帧信息的起始与结束。数据帧中还可包括若干数据位和奇偶校验位。异步串行协议的起始位与停止位必须使用，其余各位可调整位长度。异步串行协议格式如下： 本文定义帧格式为：起始位(1位)，数据位(5位)，无奇偶校验位，停止位(1位)。ATtiny13自带精度为10位的A／D转换器，而数据位设定为5位宽度，所以需要连续发送2次异步串行通信帧，才能将一次A／D转换值传送完整。按照高位先出的方法，前1次发送A／D转换值的高5位，后1次发送低5位。 4．2 波特率设置 波特率是UART异步串行通信中非常重要的参数。通信双方必须以约定好的速率通信，才能保证通信成功。波特率与异步串行协议中“位”所占用的时间密切相关。对于二进制信号，数据帧中每一位的占用时间就是波特率的倒数。因此，如何精确确定每一位的时间宽度，成为确保串口通信成功的关键因素。 ATtiny13没有集成UART，但内部含有一个8位定时器／计数器，可利用软件控制该定时器产生波特率。MCU自带的RC振荡器可以作为时钟源，但是振荡频率存在最大±10％的误差，并且受温度影响较大。这样会造成波特率不稳，通信时可能出现接收不到数据，或者丢数据位、出现乱码和错码的情况。ATtiny13从外部引入了7．372 8 MHz有源晶振时钟信号，从而保证了主时钟频率的稳定性。 异步通信波特率可按式(1)计算。 式中：XTAL为引入的主时钟频率；Baud为需设置的波特率；C为定时器时钟分频系数；n为8位定时器／计数器的预加载比较值。定时器／计数器工作在CTC模式(比较匹配时清零定时器)。 XTAL即7．372 8 MHz，Baud设定为9 600，定时器时钟信号为主时钟4分频(即C=4)，可得n=192。据此，8位定时器／计数器从0计到192时，产生比较中断，软件控制发送新的一位信息。 4．3 数据发送 UART异步串行协议规定了在没有数据帧发送时，通过逻辑“1”表示目前处于闲置状态。如果有数据需要发送，首先将发送线TXD拉低成逻辑“0”，并保持一个基本时间单位；之后根据待发送数据的二进制数值，依次逐位输出。本设计中未使用奇偶校验位，相关处理略去。5位数据发送完毕后，紧接着将TXD拉高为逻辑“1”，表示该帧结束。软件UART发送流程如图2所示。 函数Uart_SendByte(unsigned char data)实现了上述功能，一次发送5位数据。在模拟量隔离采集中，单片机不断地获取A／D转换值，并通过调用上述函数发送出去。 结 语 本文介绍一种基于ATtiny13的模拟量隔离采集电路，受ADC最大采样速率及光耦PC817传输带宽的限制，只适用于频率变换缓慢的模拟信号。该电路体积小、成本低、接线简单，已用于开关电源成品检测。 |
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