【正文】 可靠性不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信，由于采用 RS485 雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)工廠管理層局域網(wǎng)，車間層的局域網(wǎng)和底層的設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)可以有效地連接在一起，可以有 效地把多臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)水平的不斷提高，對(duì)生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平也相應(yīng)地提出了更高的要求。目前采用單片機(jī)控制并利用編程的方式，可以很方便地發(fā)出控制命令和改變系統(tǒng)中控制器的算法與計(jì)算參數(shù)；尤其是在需要進(jìn)行一些復(fù)雜而又精確的計(jì)算時(shí)，采用單片機(jī)來進(jìn)行運(yùn)算，在提高運(yùn)算速度和精度等方面都顯示了無可比擬的優(yōu)越性。模擬控制器由于受元件等因素的影響，在制作和實(shí)現(xiàn)采集等方面具有一定的局限性，如在控制器有很大的時(shí)間常數(shù)時(shí)，模擬控制器的電容器的體積就相當(dāng)可觀 ；但若采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)大的純延遲時(shí)間的控制器就顯得非常方便的，如要改變參數(shù)，只要調(diào)整程序，而不需要更改更多的硬件。 設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以完成數(shù)據(jù)的多重采集和多個(gè)數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，同時(shí)保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后并用打印機(jī)記錄數(shù)據(jù)。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 第 2 章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體功能介紹和說明 在檢測(cè)系統(tǒng)中，各個(gè)組成部分是以信息流的過程來劃分的。檢測(cè)時(shí)，首先獲取被測(cè)量的信息，并通過信息的轉(zhuǎn)換把獲得的信息變換為電量，然后進(jìn)行一系列的處理，再用指示儀或顯示 儀將信息輸出，或由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后把信息輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為信息的獲得、信息的轉(zhuǎn)換、信息的處理和信息的輸出等幾個(gè)部分，如圖 21。 圖 21 系統(tǒng)的框圖 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 8 路數(shù)據(jù)采集：可以進(jìn)行 8 路 0～ 5V 的模擬電壓進(jìn)行循環(huán)采集，每路采集的 8次，超出界限 LED顯示報(bào)警，將采得的數(shù)據(jù)求平均。 及時(shí)保存數(shù)據(jù)：對(duì)采集的數(shù)據(jù)按時(shí)間及時(shí)進(jìn)行保存。 數(shù)字實(shí)時(shí)顯示： LED將實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，并且能夠顯示查詢時(shí)輸入的查詢量和查詢到的數(shù)據(jù)。 可以將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到 上位 PC機(jī)功能。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 系統(tǒng)各部分的功能 要完成這些功能主要依靠傳感器、信號(hào)處理電路、顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其具體組成框圖如圖 22 所示。 圖 22 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖 被檢測(cè)的各種參數(shù)（溫度、流量、壓力、位移、速度等）由傳感器變換成易于后續(xù)處理的電信號(hào)。由于傳感器輸出信號(hào)太弱或信號(hào)質(zhì)量不高，應(yīng)經(jīng)過前端預(yù)處理電路進(jìn)行放大、濾波等，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過接口送入存儲(chǔ)器，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算、變換處理后，由數(shù)據(jù) 分配子系統(tǒng)和接口輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由基本系統(tǒng)及其接口輸出用于顯示、記錄、打印或繪制成各種圖表、曲線等。此外，其他儀器儀表或系統(tǒng)通過通信子系統(tǒng)及接口完成相互之間的信息交換和互連。所以我們把微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)也常稱為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)不僅能解決傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不能或不易解決的問題，而且能簡(jiǎn)化電路、增加功能、提高精度和可靠性等，還能實(shí)現(xiàn)人腦的部分功能，使自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有智能化，實(shí)現(xiàn)代替人工自動(dòng)檢測(cè)的目的，隨著微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)變得更加智能化、多功能化。 信號(hào)調(diào)理部分 信號(hào)調(diào)理電路的主要作用就是把傳感器輸出的電學(xué)量變成具有一定功率的模擬電 信號(hào) 處理 傳感器 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 時(shí)鐘信號(hào) 8051 單片機(jī) RS232 串口 鍵盤電路盤 LED 顯示模塊 存儲(chǔ)器 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)測(cè)量對(duì)象和顯示方法的不同，信號(hào)處理電路可以是簡(jiǎn)單的傳輸電纜，也可以是由許多電子元件組成的數(shù)據(jù)采集卡，甚至包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的裝置。如圖 23 圖 23 信號(hào)調(diào)理圖 （ 1）傳感器接收被測(cè)量（如物理量、化學(xué)量、生物量等），然后才能將其變換為另一種與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，并 且容易測(cè)量的量（通常為電學(xué)量）。它是一種獲得信息的重要手段，它所獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度，因而在非電量檢測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位。 （ 2）從傳感器過來的信號(hào)較小（常用熱電偶的輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間，電阻應(yīng)變片輸出電壓的變化只有幾個(gè)毫伏，人體生物電信號(hào)僅是微伏級(jí)）。因此需要加以放大才能滿足大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入 0～ 5V 的要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號(hào)。由于各類傳感器輸出信號(hào)的情況各不相同，因此需要的放大器種類 也很多。例如，為了減少輸入信號(hào)的共模分量，就采用各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了使不同數(shù)量級(jí)的輸入電壓都具有最佳變換，就產(chǎn)生了量程可以變換的程控放大器；為了減少放大器輸入的漂移，就產(chǎn)生了斬波為零和激光修正的精密放大器。 （ 3）傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲，常見的工頻信號(hào)就是人為干擾源。為了提高模擬輸入信號(hào)的信噪比，常常需要使用濾波器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行一定的衰減。 （ 4）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢 測(cè)，這可以通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通多個(gè)通道中的某一路通道。因此，在多路模擬開關(guān)后的單元電路，如采樣 /保持電路、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及處理電路等，只需要一套即可，這樣可以節(jié)省成本和體積，但這僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下。因?yàn)檫@時(shí)傳感器 前置放大 濾波器 多 路 模 擬 開 關(guān) 傳 感器 前置放大 濾波器 傳感器 前置放大 濾波器 . . . . . . . . . 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 可以使用普通的微秒級(jí) A/D轉(zhuǎn)換器從容地分時(shí)處理這些信號(hào)。但當(dāng)分時(shí)通道較多時(shí)，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，使用多路開關(guān)后，對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換速率要求也隨之上升。在數(shù)據(jù)通過率超過 40～ 50kHz時(shí)，一般不宜使用分時(shí)的多路開關(guān)。模擬開關(guān)也可以根據(jù)需要安排在放大器之前，但當(dāng)輸入的信號(hào)電平較低時(shí)，需注意選擇多路模擬開關(guān)的類型；若選用繼承電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干簧和繼電器組成的多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差產(chǎn)生。所以要根據(jù)具體情況來選擇多路模擬開關(guān)。 數(shù)據(jù)處理部分 圖 24數(shù)據(jù)處理框圖 從傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)做好了模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備。模擬信號(hào)要變成數(shù)字信號(hào)， 首先要經(jīng)過采樣，采樣保持器是快速拾取輸入信號(hào)的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣保持電路放在模擬多路開關(guān)之前（每通道一個(gè)），這可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣。 數(shù)據(jù)采集的采樣方式有兩種選擇：一為“實(shí)時(shí)采樣”；一為“等效時(shí)間采樣”。 （ 1）實(shí)時(shí)采樣：數(shù)據(jù)采集開始后，信號(hào)波形的第一個(gè)采樣點(diǎn)即被采入并數(shù)字化，經(jīng)過一個(gè)采樣間隔后。再采入第二個(gè)采樣點(diǎn)，這樣一直將整個(gè)信號(hào)波形數(shù)字化并存入存儲(chǔ)器中。為了不丟失被采樣信號(hào)所攜帶的信息，實(shí)時(shí)采樣的采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理（香農(nóng)定理）的要求，當(dāng)采 樣頻率不滿足采樣定理時(shí)將產(chǎn)生信號(hào)混疊現(xiàn)象，使采樣后波形中增加了額外的低頻成分，造成失真，引起誤差。在工程上采樣頻率應(yīng)取被采樣信號(hào)所含最高頻率的兩倍．通常采用 1020 倍 。實(shí)際測(cè)量時(shí)信號(hào)往往會(huì)混入各種噪聲，諧波成分豐富，頻帶很寬，智能儀表的采樣速度很難達(dá)到采樣定理的要求，這時(shí)就應(yīng)在 A / D 轉(zhuǎn)換之前加入抗混疊模擬濾波器，濾掉多余的高頻分量。 除了“定時(shí)采樣”（等間隔采樣）外，“實(shí)時(shí)采樣”通常使用“變步長(zhǎng)采樣”，即“等點(diǎn)采樣”。這種方法不論被測(cè)信號(hào)頻率如何，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均勻采樣的點(diǎn)總數(shù)為 N 個(gè)。由于采樣周 期隨被測(cè)信號(hào)周期變化，故通常稱之為“變步長(zhǎng)采樣”。 （ 2）“等效時(shí)間采樣”技術(shù)要求信號(hào)波形是可以重復(fù)產(chǎn)生的。由于波形可以重復(fù)取得．因此采樣可以用較慢的速度進(jìn)行，采集的樣本可以是時(shí)序的（步進(jìn)、步退、差額），S/H A/D 數(shù)據(jù)通信 單 片 機(jī) 存儲(chǔ) 查詢 顯示 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 也可以是隨機(jī)的。這樣就可以把許多采集的樣本合成一個(gè)采樣密度較高的波形。評(píng)價(jià)智能儀表數(shù)據(jù)采集部分的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、精度、輸入信號(hào)形式和信號(hào)電平、采集速度，抗干擾能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)變量的信號(hào)特性，儀表的整機(jī)技術(shù)要求，確定這些指標(biāo)的具體數(shù)值。 采樣保持電路輸出的信號(hào)送至 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn) 換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變化的速度不同，系統(tǒng)對(duì)分辨率、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同。因此 A/D轉(zhuǎn)換器的種類也比較多。早期的采樣保持電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自行設(shè)計(jì)，目前普遍采用單片集成電路，有的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括有采樣保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較大方便。 A/D 轉(zhuǎn)換器將結(jié)果輸出給計(jì)算機(jī)，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結(jié)果的方式對(duì)長(zhǎng)距離傳輸和需要光電隔離的場(chǎng)合較為有利。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)在于把一個(gè)未知的連續(xù)的模擬輸入 信號(hào)（通常為電壓）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即微型計(jì)算機(jī)能接受的二進(jìn)制數(shù)。以進(jìn)一步用于處理、顯示、記錄、查詢和傳輸。模擬輸入信號(hào)的采樣脈沖應(yīng)做得很窄，以便在采樣脈沖空余時(shí)間可以進(jìn)行多路復(fù)用。這個(gè)多位數(shù)是二進(jìn)制分?jǐn)?shù)，代表這個(gè)未知輸入電壓 Vex 與 ADC 的滿刻度電壓 ，ADC 是微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。本系統(tǒng)采用的 ADC0809 采用的是逐次逼近式，此種轉(zhuǎn)換器采用一種極有效的方案來改變比較器的參考輸入，從而只需要 n個(gè)時(shí)鐘周期就能完成 n位轉(zhuǎn)換。 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的核心。單片機(jī)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，并且把 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果讀入到內(nèi)存，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)還需要把數(shù)據(jù)分析和處理之后的結(jié)果寫入存儲(chǔ)器以備將來分析和使用，通常還需要把結(jié)果顯示出來。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與機(jī)器時(shí)間是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)數(shù)據(jù)唯一的對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，這就方便了數(shù)據(jù)查詢和顯示。為了得到機(jī)器時(shí)間，本系統(tǒng)采用了晶振得到需要的機(jī)器時(shí)間。 為了讓系統(tǒng)便于操作，按照需要和設(shè)定模式進(jìn)行運(yùn)行，那就需要人機(jī)交互裝置 ——鍵盤。從鍵盤發(fā)出指令，進(jìn)入不同的模式，實(shí)現(xiàn)不同的功能。 測(cè) 量的目的是使人們了解被測(cè)量的數(shù)值，所以必須有顯示裝置。顯示裝置的主要作用就是使人們了解檢測(cè)數(shù)值的大小或變化的過程。目前常用的顯示方式有模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示三種方式。 ( l ）模擬顯示是利用指針對(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置來表示被測(cè)量數(shù)值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特點(diǎn)是讀數(shù)方便、直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在檢測(cè)系統(tǒng)中一直被大量使用。但這種顯示方式的精度受標(biāo)尺最小分度限制，而且讀數(shù)時(shí)易引入主觀誤差。 ( 2 ）數(shù)字顯示是指用數(shù)字形式來顯示測(cè)量值，目前大多采用 LED 發(fā)光數(shù)碼管或液晶顯示屏等，如數(shù) 字電壓表。這類檢測(cè)儀器還可附加打印機(jī)，打印記錄測(cè)量數(shù)值，并 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 易于計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，使數(shù)據(jù)處理更加方便。 ( 3 ）圖像顯示是指用屏幕顯示（ CRT ）讀數(shù)或被測(cè)參數(shù)變化的曲線，主要用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中。如果被測(cè)量處于動(dòng)態(tài)變化中，用一般的顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時(shí)可將輸出信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像顯示或送至記錄儀，從而描繪出被測(cè)量隨時(shí)間變化的曲線，并以之作為檢測(cè)結(jié)果，供分析使用。 本系統(tǒng)采用的是第二種方案，此方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，實(shí)用于不同場(chǎng)所。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 第 3 章 數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在整個(gè)系統(tǒng)中硬件是基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)的建立才使系統(tǒng)有運(yùn)算的可能，硬件的參數(shù)決定了系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。本系統(tǒng)硬件