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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-文庫(kù)吧

2025-09-23 02:08 本頁(yè)面


【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(jiǎn)介 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括模擬信號(hào)的輸入輸出通道和數(shù)字信號(hào)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(jiàn)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(hào)的性質(zhì)分類:電壓信號(hào)和電流信號(hào),高電平信號(hào)和低電平信號(hào),單端輸入 (SE)和差動(dòng)輸入 (DE),單極性和雙極性;根據(jù)信號(hào)通 道的結(jié)構(gòu)方式分類:?jiǎn)瓮ǖ婪绞剑嗤ǖ婪绞健? 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(shuō),就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),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(duì)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(lái)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(kāi) 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(tái)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(hào)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(shì) 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(kāi)拓了廣闊的前景,也對(duì)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(shì)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(wèn)世和各種數(shù)字信號(hào)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(duì)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(wèn)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(shì) 。 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 通過(guò)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(hào)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(qǐng)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(guò)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(huà)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(hào)采集對(duì)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(hào) 采集 對(duì) 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(chǔ)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(chǔ)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(méi)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(hào)采集對(duì)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(kāi)關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。 8 路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能直接連通 8 個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。 總體方案 通過(guò)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(hào)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(qǐng)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(duì)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(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng),特別注意對(duì)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(guò)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(mén)控信號(hào)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(guò)程序設(shè)置的。輸出鎖存器的值是通過(guò)程序設(shè)置的。輸出鎖存器 OL用來(lái)鎖存計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 CE的內(nèi)容,從而使 CPU 可以對(duì)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(lái)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(mén)控信號(hào)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(hào)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(kāi)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(guò)程中, GATE 變?yōu)闊o(wú)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(kāi)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(guò)程中要求改變輸出脈沖的速率, CPU 可在任何時(shí)候,重新寫(xiě)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(guò)程,而是從下一個(gè)計(jì)數(shù)操作用期開(kāi)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
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