【正文】 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)書設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一個八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖所示?，F(xiàn)場信號1數(shù)據(jù)采集器1主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)場信號2數(shù)據(jù)采集器2現(xiàn)場信號8數(shù)據(jù)采集器8數(shù)據(jù)顯示圖1 八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖主控系統(tǒng)能對100米外的各路數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行巡呼接收，通過串行傳輸線（測試可以用100米電纜線代替）進(jìn)行采集和顯示。具體設(shè)計任務(wù)是:（1）設(shè)計現(xiàn)場信號產(chǎn)生器（2）設(shè)計八路數(shù)據(jù)采集器（3）設(shè)計主控器，不允許使用PC機(jī)替代設(shè)計要求、基本要求：（1）、設(shè)計一臺現(xiàn)場信號產(chǎn)生器，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)的0～2V直流信號，并保證輸出低阻抗特性，能夠在帶10K電阻負(fù)載后輸出無明顯變化。（2）、設(shè)計數(shù)據(jù)采集器（不要求顯示功能），能夠采集自己設(shè)計的0～2V直流信號，％。支持與主機(jī)通訊，就能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)傳輸采用串行方式，傳輸?shù)碾娖魈匦宰约哼x擇。系統(tǒng)能夠容納8臺子機(jī)，實際要求制作2臺子機(jī)即可，但要求2臺子機(jī)能夠模擬1～8號中的任意一臺子機(jī)。（3）設(shè)計一臺主控器，主控器通過串行傳輸線對各路數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集存儲。采集方式暴扣循環(huán)采集（即1路、2路……、8路、1路）和選擇采集（任選一路）兩種方式。如果采用循環(huán)方式，采集8路信號的采集周期為1S。設(shè)計主控器顯示功能，要求能夠顯示：采集器路數(shù)1～8；能夠顯示各路數(shù)據(jù)0～。支持手動顯示和自動巡回顯示。（4）所有電源要求自制。、發(fā)揮部分：（1）、％以上。（2）、主機(jī)具有歷史數(shù)據(jù)保存功能，每10S保存1點(diǎn)。要求煤爐可以連續(xù)保存20點(diǎn)，循環(huán)刷新，要求數(shù)據(jù)存儲在非易失數(shù)據(jù)存儲器中，人機(jī)界面支持歷史數(shù)據(jù)查看。（3）支持8路采集器上限報警功能，上限數(shù)據(jù)可以任意設(shè)定，要求數(shù)據(jù)存儲在非易失數(shù)據(jù)存儲器中，掉電不丟失，要求顯示界面能夠清晰顯示報警狀態(tài)。（4）、其他功能的改進(jìn)。III多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘 要本設(shè)計是一個主從系統(tǒng)，采用單片機(jī)控制，從機(jī)負(fù)責(zé)采集八路數(shù)據(jù)，％以上，同時應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令，將采集的數(shù)據(jù)上傳；主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，鍵盤輸入，系統(tǒng)報警。在主機(jī)與從機(jī)的通訊中，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的RS485差分方式接口，使通訊的速率和傳輸距離均大于RS232的標(biāo)準(zhǔn)接口方式，并且用線最少（只要兩根）。本設(shè)計通訊距離可達(dá)100米。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；單片機(jī)；RS485Multichannel data acquisition systemABSTRACTThis design is a master and slave system, using SCM control, eightway from the plane responsible for collecting data, the gathering precision may achieve above %, simultaneously replies the order which the main engine transmits, will gather data upload。 mainframe data processing, data show , Keyboard input, alarm system. And from the host machine munication, using international standards RS485 differential way interface, so that munication and the rate of transmission distance was greater than the standard RS232 interfaces, and the use of at least (as long as two). The design of munications range of up to 100 meters.Key words Data Acquisition System。SCM。RS4855目 錄設(shè)計任務(wù)書 I摘 要 IIIABSTRACT IV系統(tǒng)方案 1 系統(tǒng)概述 1 方案論證 1 信號源產(chǎn)生電路 1 A/D轉(zhuǎn)換器 1 溫度采集 2 通信 2 鍵盤與顯示 2 監(jiān)控 2 存儲器 2理論分析與計算 3 測量與控制方法 3 信號源 3 信號采集 3 通信 3 理論計算 4 信號源制作 4 數(shù)據(jù)采集器 4電路與程序設(shè)計 5 電路設(shè)計 5 信號源 5 數(shù)據(jù)采集器 5 主機(jī) 6 7 程序設(shè)計 8 程序流程圖 8 主要程序分析 10結(jié)果分析 10參考文獻(xiàn) 12附錄 13系統(tǒng)方案 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)可模擬遠(yuǎn)距離多路采集的現(xiàn)場，實現(xiàn)多路模擬信號同時采樣，A/D采集、主從CPU通信與數(shù)據(jù)處理、鍵盤控制與數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖111所示：現(xiàn)場數(shù)據(jù)A/D從機(jī)RS485接口主機(jī)鍵盤與顯示存儲器監(jiān)控溫度圖111 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[1] 方案論證 信號源產(chǎn)生電路方案一、制作一個穩(wěn)壓直流電源，在輸出端通過電位器分壓獲得0～2V連續(xù)可調(diào)的直流信號，此方法簡便易行，缺點(diǎn)是通過電位器分壓輸出，輸出阻抗較大，帶負(fù)載能力弱，并且不能得到0V電壓。方案二、通過基準(zhǔn)源獲得穩(wěn)定的電壓，再經(jīng)運(yùn)算放大器反相，最后再在輸出端采用運(yùn)放跟隨輸出，這樣經(jīng)反相既可以獲得0V電壓輸出，采用運(yùn)放跟隨輸出又保證了低輸出阻抗的特點(diǎn)?？紤]到設(shè)計任務(wù)中要求信號源低輸出阻抗，并且要求包括0～2V可調(diào)輸出，故本設(shè)計采用方案二。 A/D轉(zhuǎn)換器方案一、采用MC14433（國產(chǎn)5G14433）位（BCD碼）單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，模擬輸入電壓范圍為0～～，因為它有一個超量程標(biāo)志。[2]。方案二、采用位A/D，ICL7135，％，％以上的要求，具有精度高和價格低的特點(diǎn)。本設(shè)計采用方案二。 溫度采集方案一、采用一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，由于只有一根線控制，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，但也正是由于只有一根線控制，對它進(jìn)行操作不允許被打斷，同時占用的機(jī)時較長。方案二、采用LM71集成溫度傳感器，功耗低，具有三線串行接口SPI總線，在操作過程中不受中斷影響，因此使用更為方便。故本設(shè)計采用方案二。 通信方案一、采用RS232通信，但RS232的可靠通信距離僅為15米。方案二、采用RS485總線，它采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。由于本設(shè)計要求主控器能對100米以外的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制，故本設(shè)計采用RS485總線。 鍵盤與顯示由于本設(shè)計要顯示的內(nèi)容較多，LED已不能勝任，故采用圖形液晶顯示模塊12864，顯示分辨率為12864點(diǎn)。由于功能按鍵數(shù)量較少，故直接使用I/O口控制。 監(jiān)控方案一、對MCU采用手動復(fù)位，此方法電路簡單，但需要操作者每時每刻注意MCU的工作狀態(tài)，很不方便。方案二、采用監(jiān)控電路MAX813L，可以對電源電壓及MCU工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電源電壓降低或工作狀態(tài)不正常時，便會輸出一個復(fù)位信號，使MCU復(fù)位，此方法大大增加系統(tǒng)可靠性。本設(shè)計采用方案二。 存儲器方案一、采用EEPROM 24C256，存儲空間有256K，足以滿足每路每10S存一點(diǎn)，一共存20點(diǎn)的要求，但是讀寫速度較慢。方案二、使用X5045，看門狗芯片X5045內(nèi)部有512字節(jié)的存儲空間，每一路存20點(diǎn)，一共8路，需要存儲160點(diǎn)，每一點(diǎn)需要2個字節(jié)，所需內(nèi)存為320字節(jié)。所以本設(shè)計采用方案二，并且X5045的讀寫速度較快。理論分析與計算 測量與控制方法 信號源信號源要求能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)的0～2V直流信號，并保證輸出低阻抗特性。首先信號源必須涵蓋0V和2V這兩個臨界值,所以可以用運(yùn)放將信號反相，得到負(fù)值，再將輸出信號通過一級運(yùn)放跟隨，便可以得到0～2V的低輸出阻抗的信號源。由于電源的電壓波動較大，故不能直接用來作為運(yùn)放的輸入，這時就需要用到基準(zhǔn)源芯片。它能在負(fù)載電流、溫度和時間變化時電壓保持穩(wěn)定不變。 信號采集信號采集主要通過ICL7135將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，芯片的積分過程包括了對測量信號的積分階段及對基準(zhǔn)電壓的放電階段，對測量信號積分時間固定為10000個時鐘周期，而對基準(zhǔn)放電的時間計數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要對BUSY信號的高電平進(jìn)行時鐘同步計數(shù)，再減掉10000就能夠得到A/D結(jié)果。具體的設(shè)計是使用單片機(jī)T0計數(shù)，INT0接BUSY做門控，同時使用INT0的后沿中斷獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。接口及BUSY信號波形參見圖211：圖211 ICL7135管腳排列、接口及積分波形圖 通信RS485是一種應(yīng)用十分廣泛的通信協(xié)議。其顯著特點(diǎn)是信號采用“差分”的方式傳輸，因此抗干擾能力很強(qiáng)，通信距離也比RS232遠(yuǎn)得多。RS485通信一般是半雙工的，僅需要2根信號線，也可以是全雙工的，需要4根信號線。在RS485通信中，發(fā)送過程主要采取了總線仲裁機(jī)制：在向485總線寫數(shù)據(jù)時，主設(shè)備先寫一字節(jié)的地址請求，所有的從設(shè)備均會收到，只有地址與之相等的從設(shè)備端口打開，其他設(shè)備全部關(guān)閉。這樣，主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信就是點(diǎn)對點(diǎn)的。每一個從設(shè)備均有一根請求線與主設(shè)備相連，若從設(shè)備需要與主設(shè)備通信時，先通過請求線進(jìn)行請求，當(dāng)請求成功后，從設(shè)備應(yīng)能檢測到總線上的地址與自身地址相同，從設(shè)備才能打開發(fā)送中斷，才能發(fā)送消息，發(fā)送完之后必須關(guān)閉發(fā)送中斷，釋放總線，以保證其他從設(shè)備這段時間能與主設(shè)備正常通信，提高通信效率。數(shù)據(jù)接收時，采用中斷方式，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到的時候該任務(wù)會立刻自動響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實時性。接收方判斷開始485通信幀的條件是，設(shè)備不報告接收錯誤的情況下，接收到結(jié)束標(biāo)志之后的第一個非結(jié)束標(biāo)志。判斷幀結(jié)束的條件是，幀接收已經(jīng)開始，遇到第一個尾標(biāo)志字符。當(dāng)鏈路層的通信幀接收已經(jīng)開始的情況下，設(shè)備報告字符接收錯誤，此時應(yīng)當(dāng)丟棄本幀，結(jié)束幀的接收，重新開始搜索下一幀。長度字段后面的字節(jié)個數(shù)不等于長度字段指示，并且也不等于長度字段加2時，指示長度錯誤，作無效幀。幀長度小于幀頭的長度的幀視為無效幀。當(dāng)接收的字符個數(shù)超過最大的485通信幀字節(jié)數(shù)——262時，也認(rèn)為接收錯誤，重新開始搜索頭標(biāo)志，檢出下一幀數(shù)據(jù)。超時保護(hù)：如果接收收方在接收一幀數(shù)據(jù)時，在未接收完一幀時，超過20ms（2個Ticks）仍未有數(shù)據(jù)到達(dá)，則認(rèn)為本幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束，并將其丟棄。 理論計算 信號源制作信號源輸出要求0～2V穩(wěn)定的電壓，所以不能用電源直接提供基準(zhǔn)電壓，應(yīng)該使用基準(zhǔn)源芯片。要求信號源輸出包括0V，便需要用到運(yùn)放反相來獲得負(fù)電壓，從而保證信號源能夠輸出0V。故要采用雙電源對運(yùn)放供電，這里采用雙5V電源?？紤]到最大輸出電壓為2V，應(yīng)留有一定的余量。，基準(zhǔn)源只要流過1mA的電流便能穩(wěn)定工作。由于采用5V電源供電，所以為保證基準(zhǔn)源能夠穩(wěn)定工作。 數(shù)據(jù)采集器ICL7135基準(zhǔn)電壓的大小與滿度值的關(guān)系是：,。ICL7135要求每秒鐘至少進(jìn)行3次A/D轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換需要40000個時鐘脈沖，因此晶振頻率應(yīng)大于120KHz，這里取250KHz，可以有2MHz的晶振經(jīng)過8分頻得到。以輸入電壓Vx為例,“BUSY”輸出端（ICL7135的21腳）高電平的寬度等于積分和反積分時間之和，如圖211所示。ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分時間固定為10001個時鐘脈沖時間,反積分時間長度與被測電壓的大小成比例。如果利用單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器對ICL7135的時鐘脈沖計數(shù),利用“BUSY”作為計數(shù)器門控信號,控制計數(shù)器只能在BUSY為高電平時計數(shù),將這段BUSY高電平時間內(nèi)計數(shù)器的內(nèi)容減去10001,其余數(shù)便等于被測電壓的數(shù)值。電路與程序設(shè)計 電路設(shè)計 信號源信號源電路如圖311所示：圖311 直流信號源電路圖圖中D1為基準(zhǔn)源，只要有1mA的電流流過D1。經(jīng)過U1反相，在R2的上端輸出+，這樣通過調(diào)節(jié)R4便可以得到V的輸出電壓，再經(jīng)過一級電壓跟隨，便得到了低輸出阻抗的信號源。 數(shù)據(jù)采集器圖312 數(shù)據(jù)采集器電路圖圖中U8為位A/D，ICL7135，它只有三根線控制，其中sclk為時鐘輸入端，POL為輸出數(shù)據(jù)的符號位，BUSY為數(shù)據(jù)輸出端。sclk信號是由2MHz晶振經(jīng)過8分頻而得到的250KHz的方波信號。LM71是溫度傳感器，測溫范圍為40℃~150℃，℃，測溫精度在40℃~150℃范圍內(nèi)為177。℃，~，具有三線串行接口SPI/MICROWIRE兼容接口，容易和微處理器連接。圖312中U11的串行時鐘SC、串行輸入輸出SI/O、,，用來監(jiān)測機(jī)箱內(nèi)溫度。U15，MAX813L是MAXIM公司推出的低成本微處理器監(jiān)控芯片，它用來監(jiān)測單片機(jī)的電源電壓，當(dāng)電源電壓降到+，RESET輸出高電平，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，從而保證單片機(jī)正常工作。S1為撥碼開關(guān)，可以設(shè)定子機(jī)的地址，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時I/O口為低電平，四位撥碼開關(guān)可以設(shè)定16個地址。U10是RS485通信芯片75LBC784。 主機(jī)圖313 主機(jī)電路圖主機(jī)能對8路子機(jī)進(jìn)行巡呼，能夠?qū)⒆訖C(jī)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。圖中U14為X5045，在本設(shè)計中當(dāng)作存儲器使用。MAX813L為看門狗電路，用來監(jiān)測電源電壓，當(dāng)電源電壓下降時，單片機(jī)便進(jìn)入掉電保護(hù)程序，將當(dāng)前數(shù)據(jù)寫入X5045中。S2~S5為設(shè)置用的功能按鍵。D6為超限報警指示燈，當(dāng)某一路或某幾路的值超過設(shè)定值時，便會閃爍。DS1302用來提供實時時鐘。圖314總體電路圖本系統(tǒng)的所有設(shè)計電路如圖314所示，其中共有四個模塊，信號源、主機(jī)