【正文】 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。因為這時可以使用普通的微秒級 A/D 轉(zhuǎn)換器從容地分時處理這些信號。但當(dāng)分時通道較多時，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當(dāng)信號頻率較高時，使用多路開關(guān)后，對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，一般不宜使用分時的多路開關(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)輸入的信號電平較低時，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 從傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路，信號做好了模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備。模擬信號要變成數(shù)字信號，首先要經(jīng)過采樣，采樣保持器是快速拾取輸入信號的子樣脈沖，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），這可實現(xiàn)對瞬時信號同時進行采樣。 數(shù)據(jù)采集的采樣方式有兩種選擇：一為“實時采樣”；一為“等效時間采樣”。 （ 1）實時采樣：數(shù)據(jù)采集開始后， 信號波形的第一個采樣點即被采人并數(shù)字化，經(jīng)過一個采樣間隔后．再采入第二個采樣點，這樣一直將整個信號波形數(shù)字化并存入存儲器中。為了不丟失被采樣信號所攜帶的信息，實時采樣的采樣頻率應(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將產(chǎn)生信號混疊現(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)取被采樣信號所含最高頻率的兩倍．通常采用 1020倍 。實際測量時信號往往會混入各種噪聲，諧波成分豐富，頻帶很寬，智能儀表的采樣速度很難達到采樣定理的要求，這時就應(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“定時采樣”（等間隔采樣）外，“實時采樣”通常使用“變步長采樣”，即“等點采樣”。這種方法不論被測信號頻率如何，一個信號周期內(nèi)均勻采樣的點總數(shù)為 N 個。由于采樣周期隨被測信號周期變化，故通常稱之為“變步長采樣”。 （ 2）“等效時間采樣”技術(shù)要求信號波形是可以重復(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行，采集的樣本可以是時序的（步進、步退、差額），也可以是隨機的。這樣S/H A/D 單 片 機 存儲 查詢打印 顯示 數(shù)據(jù)通信 7 就可以把許多采集的樣本合成一個采樣密度較高的波形。評價智能儀表數(shù)據(jù)采集部分的 主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、精度、輸人信號形式和信號電平、采集速度，抗干擾能力，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)被測變量的信號特性，儀表的整機技術(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。由于輸入信號變化的速度不同，系統(tǒng)對分辨率、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)計人員自行設(shè)計，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)計提供了較大方便。 A/D 轉(zhuǎn)換器將結(jié)果輸出給計算機，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)果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)在于把一個未知的連續(xù)的模擬輸入信號（通常為電壓）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即微型計算機能接受的二進制數(shù)。以進一步用于處理、顯示、記錄、查詢和傳輸。模擬輸入信號的采樣脈沖應(yīng)做得很窄，以便在采樣脈沖空余時間可以進行多路復(fù)用。這個多位數(shù)是二進制分?jǐn)?shù)，代表這個未知輸入電壓 Vex與 ADC的滿刻度電壓 ， ADC是微機數(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個時鐘周期就能完成 n位轉(zhuǎn)換。 單片機系統(tǒng)是整個計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。單片機控制整個計算機數(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，進行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。單片機還需要把數(shù)據(jù)分析和處理之后的結(jié)果寫入存儲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)與機器時間是一一對應(yīng)的，一個數(shù)據(jù)唯一的對應(yīng)一個數(shù)據(jù)，這就方便了數(shù)據(jù)查詢和顯示。為了得到機器時間，本系統(tǒng)采用了 DS12887芯片得到需要的機器時間。 為了讓系統(tǒng)便于操作，按照需要和設(shè)定模式進行運行，那就需要人機交互裝置 —— 鍵盤。從鍵盤發(fā)出指令，進入不同的模式，實現(xiàn)不同的功能。 測量的目的是使人們了解被測量的數(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標(biāo)尺的相對位置來表示被測量數(shù)值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特點是讀數(shù)方便、直觀，結(jié)構(gòu)簡單，價 格低廉，在檢測系統(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。這類檢測儀器還可附加打印機，打印記錄測量數(shù)值，并易于計算機聯(lián)機，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)或被測參數(shù)變化的曲線，主要用于計算機自動檢測系統(tǒng)中。如果被測量處于動態(tài)變化中，用一般的顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時可將輸出信號送給計算機進行圖像顯示或送至記錄儀 ，從而描繪出被測量隨時間變化的曲線，并以之作為檢測結(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)計簡單，成本較低，實用于不同場所。 8 第 3 章 單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 在整個系統(tǒng)中硬件是基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)的建立才使系統(tǒng)有運算的可能，硬件的參數(shù)決定了系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。本系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和存儲模塊。 主要芯片介紹 在系統(tǒng)設(shè)計中，硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩者相互滲透，不可分離。在硬件設(shè)計中盡量采用了功能強大的芯片，以減化電路，提高系統(tǒng)電路的集成度和可靠性。 功能強大的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的價格不斷下降，體積不斷縮小，具有很高的性價比，是硬件設(shè)計的首選。 8051AH的功能特點 MCS51系列單片機是 1980年 Intel公司推出的 8位單片機系列，由于它良好的性價比，此后其他一些公司也相繼研制并生產(chǎn) MCS51 系列單片機 8051 及其兼容芯片。因此，這個系列成為主流單片機。它主要特性如下： （ 1）具有兩級中斷優(yōu)先處理能力，可管理 5個中斷源，且都有自動轉(zhuǎn)入的中斷入口地址； （ 2）內(nèi)含定時器 /計數(shù)器，工作方式可編程選擇 ； （ 3）有 32條 I/O線，輸入輸出操作功能強，可直接帶外設(shè)； （ 4）布爾處理功能強，可擴展用途； （ 5）內(nèi)部 RAM和寄存器有位尋址功能； （ 6）外部具有獨立的 64K程序存儲空間和 64K數(shù)據(jù)存儲空間； （ 7）有全雙工串行接口，波特率可編程設(shè)置； （ 8）有多種型號，且不同型號的內(nèi)部程序存儲器不同，用戶可根據(jù)需要選用。 管腳功能： ~： P0口是一個漏極開路型準(zhǔn)雙向 I/O口。在訪問外部存儲器時，它是數(shù)據(jù)總線和地址總線低 8位分時復(fù)用的接口：在 EPROM編程時，在接收指令字節(jié)；在驗證程序時，輸出指令字 節(jié)，并要求外接上拉電阻。 9 ~： P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口，它是通用 I/O端口。在 EPROM編程和程序驗證時，它接受低 8位地址。 ~： P2口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口。在訪問外部存儲器時，它輸出高 8位地址；在對 EPROM編程和程序驗證時，接受高 8位地址。 ~： P3口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，它是雙功能 I/O端口。除基本輸入 /輸出功能外每個引腳還有專用功能，其專用引腳功能： ： RXD串行數(shù)據(jù)接收 ： TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送 ： INT0外部中斷 0請求輸入 ： INT1外部中斷 1請求輸入 ： T0定時器 0外部計數(shù)脈沖輸入 ： T1定時器 1外部計數(shù)脈沖輸入 ： WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號 ： RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號 RST/VPD：復(fù)位引腳，這是一個雙功能引腳，復(fù)位 /備用電源： 復(fù)位功能 RST：單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。在振蕩信號正常運行情況下，只要 RST引腳保持兩個機器周期以上時間的高電平，系統(tǒng)復(fù)位。 備用電源功能 VPD：當(dāng) Vcc掉電時，在 Vcc下降到操作系統(tǒng)允許極限之前， RST/VPD引腳接上備用電源，向內(nèi)部 RAM 供電，這時系統(tǒng)處于一種低功耗方式。當(dāng) Vcc恢復(fù)時，備用電源仍然保持一定時間，以便完成復(fù)位操作，然后重新開始工作。 XTAL1和 XTAL2 是 MCS51 系列單片機的時鐘引腳。兩引腳連接于單片機內(nèi)部的一個高增益反向放大器，用于與外部振蕩源一起構(gòu)成振蕩電路。其中 XTAL1 為該放大器的輸入引腳， XTAL2 為該放大器的輸出引腳。 ALE：地址鎖存信號，輸出。給應(yīng)用系統(tǒng)中的地址鎖存器提供鎖存控制信號，實現(xiàn)地址 /數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在每一個機器周期（ MOVX指令除外）出現(xiàn)兩個 ALE正脈沖，當(dāng) ALE為高電平時，地址鎖存的輸出隨輸入變化（這時 P0口輸出的是低 8 位地址信息）；當(dāng) ALE有高電平變成低電平時，鎖存器將地址鎖定，即輸出不再隨輸入變化（ P0口可傳送數(shù)據(jù)信息）。另外， ALE信號還可以作為應(yīng)用系統(tǒng)中頻率要求較低的其他部件的時鐘信號、計數(shù)信號等。 PROG：片內(nèi)程序存儲器編程脈沖，輸入。對于 EPROM 型單片機，在對片內(nèi)程序存儲器編程時，該引腳輸入編程脈沖信號。 PSEN ：外部程序存儲器讀寫信號，輸出，低電平有效。由于 MCS51系列單片機外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲空間 是獨立的，但地址是重疊的，因此除了在指令上加以區(qū)分外，控制信號也有所不同。 RD 、 WR 是用于讀 /寫數(shù)據(jù)存儲器的，而 PSEN 是用于讀程序代碼的，他在應(yīng)用系統(tǒng)中接程序存儲器的讀控制端。在訪問外部程序存儲器時，在每個機器周期， PSEN 兩次有效。 EA ：內(nèi)、外程序存儲器選擇信號。當(dāng)訪問該地址范圍的存儲單 元時，由于 MCS51 系列單片機的片內(nèi)程序存儲器地址與片內(nèi)程序是重疊的，所以用 EA 引腳電平來區(qū)分是訪問內(nèi)部程序存儲器，還是訪問外部程序存儲器。當(dāng) EA =“ 1”時選擇訪問單片機內(nèi)部的程序存儲器；當(dāng) EA =“ 0”時選擇訪問外部的程序存儲器。 10 Vpp：片內(nèi)程序存儲器編程電壓。對于 EPROM 型單片機，在對片內(nèi) EPROM編程時， Vpp引腳輸入21V的編程電源電壓。 Vcc： +5V工作電壓。正常工作 時 Vcc引腳接 +5V電源電壓。 Vss：接地端。正常工作時 Vss引腳接地。 ADC0809的功能特點 ADC0809數(shù)據(jù)采集元件是單片 CMOS器件，具有 8位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 8通道的多路開關(guān)以及和微處理器相兼容的控制邏輯，這個 8位 A / D 轉(zhuǎn)換器使用逐位逼近作為轉(zhuǎn)換技術(shù)。該轉(zhuǎn)換器的主要特點是：具有一高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，帶有模擬開關(guān)樹的 256R 分壓器、以及一逐位逼近寄存器， 8個通道的模擬開關(guān)可以直接訪問 8個單端信號中的任何一個。 該器件取消了外部調(diào)零和滿量程調(diào)整。鎖存及譯碼的多路地址輸人和鎖 存的 TTL 三態(tài)輸出使該器件易于和微處理器接口。 集許多 A / D 轉(zhuǎn)換技術(shù)于一體， ADC0808和 ADC0809 的設(shè)計被優(yōu)化，它們提供高速、高精度、最小溫度相關(guān)性、極好的長期精度和可重復(fù)性以及最小功耗。這些特點使該器件非常適合于從過程和機器控制到消耗裝置及自動化的應(yīng)用。 主要指標(biāo)： 分辨率 8 位 線性誤差士 l / 2LSB 單電源 5VDC 低功耗 15mw 轉(zhuǎn)換時間 100US 分辨率為 1/ 28 ≈ % 模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是 0 +5 V 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為 100?s 各引腳功能如下 ： IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。允許 8路模擬量分時輸入，共用一個 A/D轉(zhuǎn)換器。 11 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存 3位通道選擇信號。 START：啟動 A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動 A/D轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。 OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將 A/D轉(zhuǎn)換得到的 8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。 D0～ D7： 8 位數(shù)字量輸出。 D0 為最低位， D7 為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線 直接相連。 CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為 640kHz時， A/D轉(zhuǎn)換時間為 100?s。 VR+， VR：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常 VR+ = ?5V DC， VR = 0V DC。 Vcc：工作電源， ?5VDC。 GND：電源地 零點調(diào)整：這是當(dāng)輸入電壓是 1 / 2LSB （滿量程 時為 20mV ) ，輸出從 11111111 變?yōu)? 11111110 。在大多數(shù)