【正文】 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 4 1 引言 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡介 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括模擬信號的輸入輸出通道和數(shù)字信號的輸入輸出通道。數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的輸入又稱為數(shù)據(jù)的收集；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出又稱為數(shù)據(jù)的分配 。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分類 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，用途和功能也各不相同，常見的分類方法有以下幾種，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能分類：數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分配；根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境分類：隔離型和非隔離型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制功能分類：智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，非智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；根據(jù)模擬信號的性質(zhì)分類：電壓信號和電流信號，高電平信號和低電平信號，單端輸入 (SE)和差動(dòng)輸入 (DE)，單極性和雙極性；根據(jù)信號通 道的結(jié)構(gòu)方式分類：單通道方式，多通道方式。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算得到的數(shù)根進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視 。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 從硬件力向來看，白前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；另一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、模擬多路開 關(guān)、程控放大器、采樣 /保持器、 AD 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)物，它由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集站”和一臺上位機(jī)及通信線路組成。數(shù)據(jù)采集站一般是由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置組成。位于生產(chǎn)設(shè)備附近，可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)，還可將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式傳送給上位機(jī)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 微電子技術(shù)的一系列成就以及微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，不僅為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用開拓了廣闊的前景，也對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 (1)新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件不斷涌現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。 (2)高性能單片機(jī)的問世和各種數(shù)字信號處理器的涌現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。 (3)智能化傳感器 (Smarts nor)的發(fā)展，必將對今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 (4)與微型機(jī)配套的數(shù)據(jù)采集部件的大量問世，大大方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域里應(yīng)用并有利于促進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 (5)分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢 。 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 通過一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器采樣一個(gè)模擬電壓，每 隔一定時(shí)間去采樣一次，每次相隔的時(shí)間由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器芯片 8253 控制，采樣的結(jié)果送入 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片0809，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片 8255，然后由中斷控制器向 CPU 發(fā)出中斷請求，在 CPU 控制下把 8225 中的數(shù)字送入外設(shè)即 CRT/LED顯示。 設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求 (1)據(jù)題目要求的指標(biāo)，通過查閱有關(guān)資料，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)其硬件電路圖。 (2)畫出電路原理圖，分析主要模塊功能及他們之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制關(guān)系。 (3)用 protel 或 proteus 軟件繪制電路原理 圖。 (4)軟件設(shè)計(jì)，給出流程圖及源代碼并加注釋。 2 總體方案設(shè)計(jì) 硬件組成 按照 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的技術(shù)要求，控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)包括以下幾部分： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 6 （ 1） I/O 接口芯片 （ 2）計(jì)數(shù)器 （ 3） 控制器 （ 4） 顯示器 （ 5） 信號采集對象 （ 6） A/D 轉(zhuǎn)換器 硬件方框圖如圖 。 控 制 器I / O 接 口 芯 片A / D 轉(zhuǎn)換 器信 號 采集 對 象計(jì) 數(shù) 器顯 示器 圖 硬件方框圖 方案論證 （ 1） I/O 接口芯片 8255 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程并行 I/O 接口芯片，有 3 個(gè) 8 位并行 I/O口。具有 3 個(gè)通道 3種工作方式的 可編程并行接口芯片（ 40 引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。 8255 可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。 （ 2） 計(jì)數(shù)器 8253 內(nèi)部有三個(gè)計(jì)數(shù)器，分別成為計(jì)數(shù)器 0、計(jì)數(shù)器 1 和計(jì)數(shù)器 2，他們的機(jī)構(gòu)完全相同。每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入和輸出都決定于設(shè)置在控制寄存器中的控制字，互相之間工作完全獨(dú)立。 （ 3） 控制器 89C51 系統(tǒng)是一種帶 4K 字節(jié)的閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 7 性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該期間采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指 令集和輸出管腳相兼容 （ 4） 顯示器 現(xiàn)在一般把顯示圖形或文字的 LED 顯示屏成為圖文屏，其實(shí) LED 圖文顯示屏并沒有一個(gè)公認(rèn)的嚴(yán)格的定義，這里所謂的圖形，是由單色固定亮度的點(diǎn)陣線條組成的任意圖形，其中 LED 點(diǎn)陣發(fā)光器件或發(fā)光或熄滅，即只有這兩種狀態(tài)。 （ 5） 信號采集對象 05V電位器 （ 6） A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809 八位逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器是一種單片 CMOS 器件，包括 8位模擬轉(zhuǎn)換器、 8 通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。 8 路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通 8 個(gè)單端模擬信號中的任何一個(gè)。 總體方案 通過一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器采樣一個(gè)模擬電壓，每隔一定時(shí)間去采樣一次，每次相隔的時(shí)間由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器芯片 8253 控制，采樣的結(jié)果送入 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片0809，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片 8255，然后由中斷控制器向 CPU 發(fā)出中斷請求，在 CPU 控制下把 8225 中的數(shù)字送入外設(shè)即 CRT/LED顯示。 本設(shè)計(jì)的基本思路是：根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，首先從整體上規(guī)劃好整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能，然后再對系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將比較復(fù)雜的系統(tǒng)分解為多個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，特別注意對各個(gè)子系統(tǒng)與系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系進(jìn)行精心設(shè)計(jì)以及技 術(shù)指標(biāo)的合理分解。然后再由子系統(tǒng)到部件、部件到具體元器件的選擇和調(diào)試。各部件或子系統(tǒng)各自完成后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直到完成總體目標(biāo)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 8 定 時(shí) 器 / 計(jì) 數(shù) 器 8 2 5 38 2 5 5 外 圍 接 口 芯 片L E D 數(shù) 碼 管0 5 V 電 位 器模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 芯 片A D C 0 8 0 98 9 C 5 1 系 統(tǒng) 圖 總體方案框圖 3 硬件電路設(shè)計(jì)及描述 8253 芯片及工作原理 基本組成及工作原理 8253 內(nèi)部有三個(gè)計(jì)數(shù)器，分別成為計(jì)數(shù)器 0、計(jì)數(shù)器 1 和計(jì)數(shù)器 2，他們的機(jī)構(gòu)完全相同。每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入和輸出都決定于設(shè)置在控制寄存器中的控制字，互相之間工作完全獨(dú)立。每個(gè)計(jì)數(shù)器通過三個(gè)引腳和外部聯(lián)系，一 個(gè)為時(shí)鐘輸入端 CLK，一個(gè)為門控信號輸入端 GATE，另一個(gè)為輸出端 OUT。每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)部有一個(gè) 8 位的控制寄存器，還有一個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)初值寄存器 CR、一個(gè)計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 CE 和一個(gè)輸出鎖存器 OL。執(zhí)行部件實(shí)際上是一個(gè) 16 位的減法計(jì)數(shù)器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通過程序設(shè)置的。輸出鎖存器的值是通過程序設(shè)置的。輸出鎖存器 OL用來鎖存計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 CE的內(nèi)容，從而使 CPU 可以對此進(jìn)行讀操作。 CR、 CE 和 OL 都是 16 位寄存器，但是也可以作 8 位寄存器來用。 8253 具有 3 個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)通道，采用減 1 計(jì)數(shù) 方式。在門控信號有效時(shí)，每輸入 1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，通道作 1次計(jì)數(shù)操作。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖是已知周期的時(shí)鐘信號時(shí)，計(jì)數(shù)就成為定時(shí)。 本次課程設(shè)計(jì)主要使用 8253 的循環(huán)計(jì)時(shí)功能，采用 8253 的方式 2，進(jìn)入這種工作方式 OUT 輸出高電平，裝入計(jì)數(shù)值 n后如果 GATE 為高電平，則立即開始計(jì)數(shù)， OUT 保持為高電平不變； 待計(jì)數(shù)值減到“ 1”和“ 0”之間， OUT 將輸出 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 9 寬度為一個(gè) CLK 周期的負(fù)脈沖，計(jì)數(shù)值為“ 0”時(shí)，自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)初值 n，實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù)， OUT 將輸出一定頻率的負(fù)脈沖序列， 其脈沖寬度固定為一個(gè) CLK周期， 重復(fù)周期為 CLK 周期的 n 倍。如果在減“ 1”計(jì)數(shù)過程中， GATE 變?yōu)闊o效（輸入 0 電平），則暫停減“ 1”計(jì)數(shù)，待 GATE 恢復(fù)有效后，從初值 n開始重新計(jì)數(shù)。這樣會(huì)改變輸出脈沖的速率。如果在操作過程中要求改變輸出脈沖的速率， CPU 可在任何時(shí)候，重新寫人新的計(jì)數(shù)值， 它不會(huì)影響正在進(jìn)行的減“ 1”計(jì)數(shù)過程，而是從下一個(gè)計(jì)數(shù)操作用期開始按新的計(jì)數(shù)值改變輸出脈沖的速率。 圖 31 8253 芯片管腳圖 圖 32 8253 方式 2 工作波形 8253 與系統(tǒng)連接 8253 的數(shù)據(jù)線與單片機(jī) 89C5