【正文】 .........................................................................................35 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................36 致 謝 ..................................................................................................................................38 附錄Ⅰ 原理圖 ....................................................................................................................39 附錄Ⅱ 程序清單 ................................................................................................................40 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 隨著 現(xiàn)代世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到飛速發(fā)展和普及。各個(gè)行業(yè)為了不斷改善企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，提高工作效率都進(jìn)入了計(jì)算機(jī)控制時(shí)代，由于對(duì)管理要求的不斷提高，在很大程度上使企業(yè)不得不改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信號(hào)處理系統(tǒng)是信號(hào)與信息處理系統(tǒng)不可缺少的組成部分，現(xiàn)代微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù) 據(jù)采集的精度和速度也越來(lái)越高了。如今的離散數(shù)據(jù)采集已經(jīng)達(dá)到了一定水平。 課題背景 隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及 ， 現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息化的社會(huì)。社會(huì)中的各個(gè)方面，各個(gè)行業(yè)為了加大了企業(yè)的發(fā)展進(jìn)程和自己的競(jìng)爭(zhēng)能力，不得不甩掉傳統(tǒng)的管理模式和經(jīng)營(yíng)方法。為了使自己的管理模式和經(jīng)營(yíng)方法做到最好，對(duì)自己企業(yè)的一些數(shù)據(jù)就要做到即快速有準(zhǔn)確的掌握。那么這是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法是達(dá)不到這一要求的，但是利用電腦來(lái)采集這些數(shù)據(jù)就可以達(dá)到這樣的要求。那么數(shù)據(jù)采集技術(shù)就是基于這樣一個(gè)社會(huì)大背景下的一個(gè)必然的產(chǎn)物，它使我們的社會(huì)發(fā)展 的生產(chǎn)上了一個(gè)新的臺(tái)階。工業(yè)上使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大概分為四類： 第一類使用通過(guò)微型計(jì)算機(jī)（如 PC 機(jī)）的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的特點(diǎn)有 : （ 1） 系統(tǒng)較強(qiáng)的軟、硬件支持。通過(guò)微型計(jì)算機(jī)所有的軟、硬件資源都可以用來(lái)支持系統(tǒng)進(jìn)行工作。 （ 2） 具有自主開(kāi)發(fā)能力。 （ 3） 系統(tǒng)的軟、硬件的應(yīng)用配置較小，系統(tǒng)的成本比較高。程序在 RAM 中運(yùn)行，易受外界干擾破壞。 （ 4）在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的可靠性差，對(duì)安放環(huán)境要求高。 第二類基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。特點(diǎn)如下： （ 1）系統(tǒng)不具有自主開(kāi)發(fā)能力。因此系統(tǒng)的軟、硬件開(kāi)發(fā)必須借助開(kāi)發(fā)工具。 （ 2）系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能要求為原則。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 （ 3）系統(tǒng)的可靠性好，使用方便，不易受外界的干擾而破壞，而且上電后系統(tǒng)立即進(jìn)入用戶狀態(tài)。 第三類基于 DSP 數(shù)字信號(hào)微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 第四類基于混合型計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。 這是一種近年來(lái)隨著單片機(jī)出現(xiàn)而在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。它是由通用計(jì)算機(jī)（ PC 機(jī)）與單片機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線（如 RS232）相連而成。單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成的部分是專為數(shù)據(jù)采集能功能的要求而配置的，主機(jī)則承擔(dān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話、大容量的計(jì)算、記錄 、打印、圖形顯示等任務(wù)?；旌闲陀?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)如下： （ 1）通常具有自主開(kāi)發(fā)能了。 （ 2）系統(tǒng)配置靈活，易構(gòu)成各種大中型測(cè)控系統(tǒng)。 （ 3）主機(jī)可遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)而構(gòu)成各種局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （ 4）充分利用主機(jī)資源，但不會(huì)占有主機(jī)的全部 CPU 時(shí)間。 那么本設(shè)計(jì)在選擇類型方面，就是比較了以上四種類型的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇的。在根據(jù)設(shè)計(jì)的的要求就選擇第四種基于混合型計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。 課題相關(guān)技術(shù) 離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用上位機(jī)、下位機(jī)通信方式運(yùn)行。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出的顯示和對(duì)下位機(jī)的控制等功能，而下位機(jī)主要是執(zhí)行上位機(jī)的指令，通 過(guò)上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令來(lái)采集離散數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集的開(kāi)關(guān)控制量的變化發(fā)送給上位機(jī)。本課題主要是對(duì)下位機(jī)的研究，主要采用了弱電控制強(qiáng)電技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，下面分別對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行介紹。 弱電控制強(qiáng)電技術(shù) 強(qiáng)電和弱電從概念上講，一般是容易區(qū)別的，主要區(qū)別是用途的不同。強(qiáng)電是用作一種動(dòng)力能源，弱電是用于信息傳遞。具體而言，它們大致有如下區(qū)別： （ 1）交流頻率不同 強(qiáng)電的頻率一般是 50Hz（赫），稱 “工頻 ”，意即工業(yè)用電的頻率 ， 弱電的頻率往往是高頻或特高頻，以 KHz（千赫）、 MHz（兆赫）計(jì)。 （ 2）傳輸方式不同 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 強(qiáng)電以輸電線路傳輸，弱電的傳輸有有線與無(wú)線之分。無(wú)線電則以電磁波傳輸。 （ 3）功率、電壓及電流大小不同 強(qiáng)電功率以 KW（千瓦）、 MW（兆瓦）計(jì)、電壓以 V（伏）、 KV（千伏）計(jì)，電流以 A（安）、 kA（千安）計(jì)；弱電功率以 W（瓦）、 mW（毫瓦）計(jì)，電壓以V（伏）、 mV（毫伏）計(jì)，電流以 mA（毫安）、 uA（微安）計(jì)，因而其電路可以用印刷電路或集成電路構(gòu)成。 當(dāng)然，強(qiáng)電中也有高頻（數(shù)百 KHz）與中頻設(shè)備，但電壓較高，電流也較大。又如手電筒與電動(dòng)剃須刀雖然電壓很低，功率及電流很小，仍屬?gòu)?qiáng)電。由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，弱電 己滲透到強(qiáng)電領(lǐng)域，如電力電子器件、無(wú)線遙控等，但這些只能算作強(qiáng)電中的弱電控制部分，它與被控的強(qiáng)電還是不同的 。弱電控制強(qiáng)電一般是通過(guò)可控硅或繼電器之類的開(kāi)關(guān)設(shè)備 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 隨著電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)各種檢測(cè)對(duì)象和大量的測(cè)試點(diǎn)，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 數(shù)據(jù)采集經(jīng)常做成模塊而且是典型 的 與 PC 機(jī)或控制器連接。他們被 用 于自動(dòng)化的測(cè)試中，為其它測(cè)試裝備采集數(shù)據(jù)、控制和循環(huán)檢測(cè)信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20世紀(jì) 50年 代 ， 1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng) ， 目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件 ， 由非熟練人員進(jìn)行操作 ， 并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的 。 由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性 ， 可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù) ， 因而得到了初步的認(rèn)可 。 大約在 60年代后期 ， 國(guó)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng) ， 此階段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng) 。 20 世紀(jì) 70年代中后期 ， 隨著微型機(jī)的發(fā)展 ， 誕生了采集器 、 儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良 ， 超過(guò)了傳 統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 因此獲得了驚人的發(fā)展 。 從 70年代起 ， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中逐漸分為兩類 ， 一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 另一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 就使用的總線而言 ， 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線 ， 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線 。 20世紀(jì) 80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用 ， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展 ， 開(kāi)始出現(xiàn)了通用的沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 。 該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類 ， 一類以儀器儀表和采集器 、 通用接口總線和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成 。 例如 ， 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ICE625(GPIB)接口總線系統(tǒng)就是一個(gè)典型 的代表 。 這類系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)室 ， 在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用 。 第二類以數(shù)據(jù)采集卡 、 標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成 ， 例如： STD總線系統(tǒng)就是這一類的典型代表 。 這種接口系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu) 。 把相應(yīng)的接口卡裝在專用的機(jī)箱內(nèi) ，然后由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制 。 第二類系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多 。 這兩種系統(tǒng)中 ， 如果采集測(cè)試任務(wù)改變 ， 只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng) ， 或?qū)⑿驴ㄔ偬砑拥綄Ｓ玫臋C(jī)箱即可完成硬件平臺(tái)重建 。 顯然 ， 這種系統(tǒng)比專用系統(tǒng)靈活得多 。 20世紀(jì) 80年代后期 ，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化 ， 工業(yè)計(jì)算機(jī) 、 單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合 ，用軟件管理 ， 使系統(tǒng)的成本降低 ， 體積減小 ， 功能成倍增加 ， 數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng) 。 20世紀(jì) 90 年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、 航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。目前有的（ DAS）產(chǎn)品精度已達(dá) 16 位，采集速度每秒達(dá)到幾十萬(wàn)次以上。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門(mén)的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程， 就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個(gè)新的系統(tǒng)。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和 即插即用方向發(fā)展，典型系統(tǒng)有 VXI 總線系統(tǒng)， PCI、 PXI總線系統(tǒng)等 ,數(shù)據(jù)位已達(dá)到 32位總線寬度 ,采樣頻率可以達(dá)到 100MSps[1]。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊，可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性，但其昂貴的價(jià)格是阻礙它在自動(dòng)化領(lǐng)域普及的一個(gè)重要因素。 但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展，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 RS48雙絞線、電力載波、無(wú)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。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 課題任務(wù) 離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 功能為： 完成 16 路離散量采集輸入， 16路輸出。 離散量采集系統(tǒng)的組成：離散采集系統(tǒng)由硬件，軟件兩大部分組成。硬件由下位機(jī)，上位機(jī)兩部分組成。 下位機(jī)由 52 單片機(jī)，單片機(jī)最小 系統(tǒng)（ 晶振電路、復(fù)位電路、電源電路），緩沖器，鎖存器， MAX232，串口電路組成，開(kāi)關(guān)，光電耦合。上位機(jī)程序?yàn)?VB 編程。軟件部分由 C語(yǔ)言單片機(jī)編程和 VB 編程，單片機(jī)的軟件編程完成 16 路輸入和 16 路輸出。 設(shè)計(jì)的 目標(biāo)： （ 1） 硬件設(shè)備選型 ，軟件編程； （ 2） 需要考慮各種意外因素，例如人為因素，斷電等； （ 3） 要求 用 protel原件 設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的 原理圖 ； （ 4） 制作出兩路的演示電路板； （ 5） 保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的措施。 課題內(nèi)容及安排 本課題主要是完成 離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 設(shè)計(jì)，其中下位機(jī)接受來(lái)自上位機(jī)發(fā)出的指令， 來(lái)按照上位機(jī)的要求來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù) 的采集， 具體內(nèi)容安排如下： 第 1 章為緒論，著重介紹了 基于 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集器的 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。提出了本課題的研究意義，說(shuō)明了本文所要研究的問(wèn)題及目標(biāo)； 第 2 章為系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹制作初期對(duì)各個(gè)組成部分方案的論證和選擇，不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)都做了一定的介紹，對(duì)所選擇的方案做了比較詳細(xì)的說(shuō)明； 第 3 章是硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，主要介紹了控制電路的設(shè)計(jì)，電路原理，以及它在整個(gè)系統(tǒng)中的地位和作用； 第 4 章是軟件設(shè)計(jì)部分，介紹了軟件設(shè)計(jì)所用的 C 語(yǔ)言、系統(tǒng)的主流程圖和子函數(shù)的流程圖。具體程序見(jiàn)附錄； 第 5 章是系 統(tǒng)調(diào)試部分，分部分介紹了系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)程以及調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題，解決的方法等； 第 6 章是結(jié)論，總結(jié)了本課題中所研究的問(wèn)題和 不足之處。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是有上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)電腦串行數(shù)據(jù)口相連。上位機(jī)發(fā)出指令，控制下位機(jī)采集數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的采集數(shù)據(jù)方式。離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。由上位機(jī)與下位機(jī)串口數(shù)據(jù)通信來(lái)發(fā)送控制指令，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行控制。 上 位 機(jī) 數(shù) 據(jù) 采 集 電 路單 片 機(jī) 圖 離散數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 方案設(shè)計(jì)原則 本 次設(shè)計(jì)方案應(yīng)符合以下原則： （ 1） 經(jīng)濟(jì)合理。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能的減少成本； （ 2） 安全可靠。選擇元器件時(shí)要考慮到周圍環(huán)境的影響，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠； （ 3） 有足夠的抗干擾能力。有完善的抗干擾能力，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件； （ 4） 可擴(kuò)展性； （ 5） 操作性能好，方便用戶使用。 方案選擇 根據(jù)課題的要求，本系統(tǒng)是 通過(guò) 上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)指令，讓下位機(jī)開(kāi)始以某種方式采集離散量 。本文設(shè)計(jì)了 3 套方案，并