【正文】 .........................................................................................35 參考文獻 ..............................................................................................................................36 致 謝 ..................................................................................................................................38 附錄Ⅰ 原理圖 ....................................................................................................................39 附錄Ⅱ 程序清單 ................................................................................................................40 沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 隨著 現代世界經濟的不斷發(fā)展，計算機技術得到飛速發(fā)展和普及。各個行業(yè)為了不斷改善企業(yè)的服務質量，提高工作效率都進入了計算機控制時代，由于對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)的數據采集方式。數據采集系統(tǒng)是信號處理系統(tǒng)是信號與信息處理系統(tǒng)不可缺少的組成部分，現代微電子技術和通信技術的發(fā)展，對數 據采集的精度和速度也越來越高了。如今的離散數據采集已經達到了一定水平。 課題背景 隨著 計算機技術的迅猛發(fā)展和普及 ， 現代社會已經進入了信息化的社會。社會中的各個方面，各個行業(yè)為了加大了企業(yè)的發(fā)展進程和自己的競爭能力，不得不甩掉傳統(tǒng)的管理模式和經營方法。為了使自己的管理模式和經營方法做到最好，對自己企業(yè)的一些數據就要做到即快速有準確的掌握。那么這是傳統(tǒng)的數據采集方法是達不到這一要求的，但是利用電腦來采集這些數據就可以達到這樣的要求。那么數據采集技術就是基于這樣一個社會大背景下的一個必然的產物，它使我們的社會發(fā)展 的生產上了一個新的臺階。工業(yè)上使用的數據采集系統(tǒng)大概分為四類： 第一類使用通過微型計算機（如 PC 機）的數據采集系統(tǒng)。它的特點有 : （ 1） 系統(tǒng)較強的軟、硬件支持。通過微型計算機所有的軟、硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)進行工作。 （ 2） 具有自主開發(fā)能力。 （ 3） 系統(tǒng)的軟、硬件的應用配置較小，系統(tǒng)的成本比較高。程序在 RAM 中運行，易受外界干擾破壞。 （ 4）在工業(yè)環(huán)境中運行的可靠性差，對安放環(huán)境要求高。 第二類基于單片機的數據采集系統(tǒng)。特點如下： （ 1）系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力。因此系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具。 （ 2）系統(tǒng)的軟硬件設計與配置規(guī)模都是以滿足數據采集系統(tǒng)功能要求為原則。 沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（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)立即進入用戶狀態(tài)。 第三類基于 DSP 數字信號微處理器的數據采集系統(tǒng)。 第四類基于混合型計算機采集系統(tǒng)。 這是一種近年來隨著單片機出現而在計算機應用領域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結構形式。它是由通用計算機（ PC 機）與單片機通過標準總線（如 RS232）相連而成。單片機及外圍電路構成的部分是專為數據采集能功能的要求而配置的，主機則承擔數據采集系統(tǒng)的人機對話、大容量的計算、記錄 、打印、圖形顯示等任務?；旌闲陀嬎銠C數據采集系統(tǒng)的特點如下： （ 1）通常具有自主開發(fā)能了。 （ 2）系統(tǒng)配置靈活，易構成各種大中型測控系統(tǒng)。 （ 3）主機可遠離現場而構成各種局域網絡系統(tǒng)。 （ 4）充分利用主機資源，但不會占有主機的全部 CPU 時間。 那么本設計在選擇類型方面，就是比較了以上四種類型的優(yōu)缺點來進行選擇的。在根據設計的的要求就選擇第四種基于混合型計算機采集系統(tǒng)。 課題相關技術 離散數據采集系統(tǒng)采用上位機、下位機通信方式運行。上位機實現輸出的顯示和對下位機的控制等功能，而下位機主要是執(zhí)行上位機的指令，通 過上位機發(fā)來的指令來采集離散數據，同時將采集的開關控制量的變化發(fā)送給上位機。本課題主要是對下位機的研究，主要采用了弱電控制強電技術和數據采集技術，下面分別對這兩種技術進行介紹。 弱電控制強電技術 強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。強電是用作一種動力能源，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。 （ 2）傳輸方式不同 沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 3 強電以輸電線路傳輸，弱電的傳輸有有線與無線之分。無線電則以電磁波傳輸。 （ 3）功率、電壓及電流大小不同 強電功率以 KW（千瓦）、 MW（兆瓦）計、電壓以 V（伏）、 KV（千伏）計，電流以 A（安）、 kA（千安）計；弱電功率以 W（瓦）、 mW（毫瓦）計，電壓以V（伏）、 mV（毫伏）計，電流以 mA（毫安）、 uA（微安）計，因而其電路可以用印刷電路或集成電路構成。 當然，強電中也有高頻（數百 KHz）與中頻設備，但電壓較高，電流也較大。又如手電筒與電動剃須刀雖然電壓很低，功率及電流很小，仍屬強電。由于現代技術的發(fā)展，弱電 己滲透到強電領域，如電力電子器件、無線遙控等，但這些只能算作強電中的弱電控制部分，它與被控的強電還是不同的 。弱電控制強電一般是通過可控硅或繼電器之類的開關設備 來實現的。 數據采集技術 隨著電子測量技術與計算機技術的發(fā)展，面對各種檢測對象和大量的測試點，需要利用數據采集系統(tǒng)將多路被測量轉換為數字量，再經過單片機或微型計算機進行數據處理，實現實時監(jiān)控。 數據采集經常做成模塊而且是典型 的 與 PC 機或控制器連接。他們被 用 于自動化的測試中，為其它測試裝備采集數據、控制和循環(huán)檢測信號。 數據采集系統(tǒng)起始于 20世紀 50年 代 ， 1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng) ， 目標是測試中不依靠相關的測試文件 ， 由非熟練人員進行操作 ， 并且測試任務是由測試設備高速自動控制完成的 。 由于該種數據采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性 ， 可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數據采集和測試任務 ， 因而得到了初步的認可 。 大約在 60年代后期 ， 國外就有成套的數據采集設備產品進入市場 ， 此階段的數據采集設備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng) 。 20 世紀 70年代中后期 ， 隨著微型機的發(fā)展 ， 誕生了采集器 、 儀表同計算機溶為一體的數據采集系統(tǒng) 。 由于這種數據采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良 ， 超過了傳 統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數據采集系統(tǒng) ， 因此獲得了驚人的發(fā)展 。 從 70年代起 ， 數據采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類 ， 一類是實驗室數據采集系統(tǒng) ， 另一類是工業(yè)現場數據采集系統(tǒng) 。 就使用的總線而言 ， 實驗室數據采集系統(tǒng)多采用并行總線 ， 工業(yè)現場數據采集系統(tǒng)多采用串行數據總線 。 20世紀 80年代隨著計算機的普及應用 ， 數據采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展 ， 開始出現了通用的沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 4 數據采集與自動測試系統(tǒng) 。 該階段的數據采集系統(tǒng)主要有兩類 ， 一類以儀器儀表和采集器 、 通用接口總線和計算機等構成 。 例如 ， 國際標準 ICE625(GPIB)接口總線系統(tǒng)就是一個典型 的代表 。 這類系統(tǒng)主要用于實驗室 ， 在工業(yè)生產現場也有一定的應用 。 第二類以數據采集卡 、 標準總線和計算機構成 ， 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)采用積木式結構 。 把相應的接口卡裝在專用的機箱內 ，然后由一臺計算機控制 。 第二類系統(tǒng)在工業(yè)現場應用較多 。 這兩種系統(tǒng)中 ， 如果采集測試任務改變 ， 只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng) ， 或將新卡再添加到專用的機箱即可完成硬件平臺重建 。 顯然 ， 這種系統(tǒng)比專用系統(tǒng)靈活得多 。 20世紀 80年代后期 ，數據采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化 ， 工業(yè)計算機 、 單片機和大規(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 ， 數據處理能力大大加強 。 20世紀 90 年代至今，在國際上技術先進的國家，數據采集技術已經在軍事、 航空電子設備及宇航技術、工業(yè)等領域被廣泛應用。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠性的單片數據采集系統(tǒng)（ DAS）。目前有的（ DAS）產品精度已達 16 位，采集速度每秒達到幾十萬次以上。 數據采集技術已經成為一種專門的技術，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。該階段數據采集系統(tǒng)采用更先進的模塊式結構，根據不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統(tǒng)編程， 就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)。該階段并行總線數據采集系統(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 ,數據位已達到 32位總線寬度 ,采樣頻率可以達到 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，但其昂貴的價格是阻礙它在自動化領域普及的一個重要因素。 但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領域取得了成功的應用。串行總線數據采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結構和智能化方向發(fā)展，可靠性不斷提高。 數據采集系統(tǒng)物理層通信，由于采 用 RS48雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術得到了不斷發(fā)展和完善。 其在工業(yè)現場數據采集和控制等眾多領域得到了廣泛的應用。由于目前局域網技術的發(fā)展，一個工廠管理層局域網，車間層的局域網和底層的設備網已經可以有效地連接在一起，可以有效地把多臺數據采集設備聯在一起，以實現生產環(huán)節(jié)的在線實時數據采集與監(jiān)控。 沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 5 課題任務 離散數據采集系統(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，上位機兩部分組成。 下位機由 52 單片機，單片機最小 系統(tǒng)（ 晶振電路、復位電路、電源電路），緩沖器，鎖存器， MAX232，串口電路組成，開關，光電耦合。上位機程序為 VB 編程。軟件部分由 C語言單片機編程和 VB 編程，單片機的軟件編程完成 16 路輸入和 16 路輸出。 設計的 目標： （ 1） 硬件設備選型 ，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 設計出系統(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。 課題內容及安排 本課題主要是完成 離散數據采集系統(tǒng) 設計，其中下位機接受來自上位機發(fā)出的指令， 來按照上位機的要求來進行數據 的采集， 具體內容安排如下： 第 1 章為緒論，著重介紹了 基于 單片機 數據采集器的 研究現狀及發(fā)展趨勢。提出了本課題的研究意義，說明了本文所要研究的問題及目標； 第 2 章為系統(tǒng)整體方案設計，詳細介紹制作初期對各個組成部分方案的論證和選擇，不同方案的優(yōu)缺點都做了一定的介紹，對所選擇的方案做了比較詳細的說明； 第 3 章是硬件設計，根據任務書的要求，主要介紹了控制電路的設計，電路原理，以及它在整個系統(tǒng)中的地位和作用； 第 4 章是軟件設計部分，介紹了軟件設計所用的 C 語言、系統(tǒng)的主流程圖和子函數的流程圖。具體程序見附錄； 第 5 章是系 統(tǒng)調試部分，分部分介紹了系統(tǒng)調試的過程以及調試過程中遇到的問題，解決的方法等； 第 6 章是結論，總結了本課題中所研究的問題和 不足之處。 沈陽航空航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 6 2 系統(tǒng)方案設計 離散數據采集系統(tǒng)總體設計是有上位機與下位機之間通過電腦串行數據口相連。上位機發(fā)出指令，控制下位機采集數據或發(fā)送數據，從而實現自動化的采集數據方式。離散數據采集系統(tǒng)結構如圖 所示。由上位機與下位機串口數據通信來發(fā)送控制指令，來對數據采集電路進行控制。 上 位 機 數 據 采 集 電 路單 片 機 圖 離散數據采集器系統(tǒng)結構圖 方案設計原則 本 次設計方案應符合以下原則： （ 1） 經濟合理。系統(tǒng)的硬件設計中，一定要注意在滿足性能指標的前提下，盡可能的減少成本； （ 2） 安全可靠。選擇元器件時要考慮到周圍環(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、工作正常和不產生錯誤的必要條件； （ 4） 可擴展性； （ 5） 操作性能好，方便用戶使用。 方案選擇 根據課題的要求，本系統(tǒng)是 通過 上位機給下位機發(fā)指令，讓下位機開始以某種方式采集離散量 。本文設計了 3 套方案，并