3.2.5 微处理器及其外围电路设计
P-TDR土壤水分和电导率测试仪的微处理器及其外围电路功能框图如图3-16所示，主要包括微处理器、模/数转换电路、实时时钟、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块、电源管理模块和USB通信接口电路。
图3-15 典型二极管检波器的vout随Pin变化的特性
图3-16 微处理器及其外围电路功能框图
微处理器采用Atmel公司的ATmega128芯片，这是一种高性能、低功耗的AVR单片机，采用精简指令集结构，多数指令为当周期指令，在时钟频率为16MHz时指令执行速度可达16MIPS。ATmega128单片机内部有128KB可编程程序存储器、4KB数据存储器（RAM）和4KB的EEPROM存储器，另外还支持64KB的外部数据RAM，其内部EEPROM可用来保存P-TDR系统的各种工作参数和土壤水分、电导率标定公式。ATmega128有丰富的外设和各种接口，包括4个16位定时器，1个SPI接口、一个IIC接口和2个UART异步串行接口。ATmega128采用64脚TQFP贴片封装。
模/数转换电路的主要功能是将相位检测器和检波器输出的直流模拟信号转换为数字信号，包括模/数转换器、RC低通滤波电路、低频放大电路和电压基准，如图3-17所示。
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图3-17 模/数转换电路功能框图
RC低通滤波电路的作用是将相位检测器和检波器输出信号中的交流成分滤去，仅保留反映反射信号和参考信号的相位差及它们各自幅值的直流电压，这里使用由电阻、电容组成的无源RC滤波电路。
低频放大电路将低通滤波器的输出放大到合适的大小，以便用模/数转换器转换成数字量后能得到较高的精度，使用精密集成运放芯片AD623。AD623可通过一个外部电阻设定放大倍数，设定范围为1～1000倍，在0.05～4.5V的输出范围内增益误差小于0.1%，温漂典型值为50ppm[1]/℃。AD623还可在其参考输入端外加一个直流电压对输入的信号进行电压平移。因为相位检测器的输出电压有可能是负值，所以这里使用AD623的这一功能将相位检测器的输出向上平移了2.5V以保证到达模/数转换器的电压为正值。
电压基准是模/数转换器将模拟电压转换为数字信号的标准，其精度和温漂对模/数转换电路的总体性能影响很大。这里采用的是精密电压基准芯片LM4040，其输出电压为4.096V，初始精度为0.1%，温漂不大于100ppm/℃（即温度变化10℃时其输出电压的变化不超过0.1%）。
模/数转换器是模/数转换电路的核心，主要完成将相位检测器和检波器输出的模拟信号转换为数字信号的工作。这里采用了14位芯片TLC3548，可接受8通道0～4.096V的模拟电压输入，其最大采样率为200kSPS（即每秒可转换200000次），最大转换误差为5LSB，当电压基准为4.096V时，最大误差为1.25mV。
实时时钟电路为系统提供日期和时间，以便对土壤水分和电导率按指定日程进行连续监测，并为测量的数据加上时间戳。这里采用的是ISL1208芯片，其内部有时钟频率补偿机制，计时精度可达1min/y（分钟/年）。
在某些应用中，需要将测量的数据保存下来以供将来分析和使用，所以需要采用容量较大的FLASH存储器，保存于其中的数据在系统断电后不会丢失。这里采用的是AT45DB161芯片，其容量为2MB，最多可保存10000次测量的数据。它通过SPI接口与微处理器相连，读、写一次测量数据的时间分别约为1ms和10ms。
键盘与LCD显示模块一起提供了对P-TDR系统进行操作和查看的人机界面，P-TDR系统既可使用其外壳上的薄膜开关按键，也可使用标准PC键盘。
