【正文】 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。 研究了 PC機(jī)與單片機(jī)通信的分布式結(jié)構(gòu)的通信方式及總線特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于RS232總線的多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)硬件、軟件實(shí)現(xiàn)的方法及該系統(tǒng)的性能測(cè)試及分析。 I 摘要 由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越寬、所涉及到的測(cè)量信號(hào)和信號(hào)源的類型越來越多、對(duì)測(cè)量的要求也越來越高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已有不少數(shù)據(jù)測(cè)量和采集的系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高等問題。 基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信號(hào)輸入 A／ D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由單片機(jī)采集，然后利用單片機(jī)與 PC機(jī)的通信將數(shù)據(jù)送到 PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、后期處理與顯示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、顯示直觀、界面友好、性價(jià)比高、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。大概在 60 年代后期，國(guó)內(nèi)外就有成套的數(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) 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)得到了很大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，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，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡(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)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和顯示。近年來，又成功研制了動(dòng)態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容 性更強(qiáng)、低功耗可靠性的 TDE324C 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。在硬件結(jié)構(gòu)上，它主要由單片機(jī) (MCU)、 A/D轉(zhuǎn)換器、與 PC機(jī)聯(lián)接的通信電路、 PC機(jī)等。該工作是在分析了不同類型的 單片機(jī)的特點(diǎn)及單片機(jī)與 PC機(jī)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制的采集系 統(tǒng)，并通過串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 P(規(guī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送并將數(shù)據(jù)在 PC機(jī) 上顯示及存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。 在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而 A/D 是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間 、轉(zhuǎn)換誤差等等。而數(shù)據(jù)的顯示則采用的是 LCD 液晶顯示器 ，該器件比較簡(jiǎn)單，在生活中接觸也較多。位數(shù)越高其分辨率就越高，價(jià)格也就越貴。 (3)并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它又被稱為 flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但她采用了很多個(gè)比較器，而 n 位的轉(zhuǎn)換就需要 2n1 個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也很貴，只適用于視頻 A/D 轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域。 （ 2）轉(zhuǎn)換速率（ Conversion Rate）。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率（ Sample Rate）必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。由于 AD 的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率 AD 的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率 AD（理想 AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。 （ 5）滿刻度誤差（ Full Scale Error）。 AD 的其他指標(biāo)還有絕對(duì)精度（ Absolute Accuracy）、相對(duì)精度（ Relative Accuracy）、微分非線性、單調(diào)性和無錯(cuò)碼、總諧波失真（ THD， Total Harmonic Distotortion）和積分非線性等。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)自 70 年代問世以來得到了蓬勃發(fā)展，目前單片機(jī)功能正日漸完善先后經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 缺點(diǎn)： 51 系列的在進(jìn)行乘法和除法運(yùn)算時(shí)精度不高。 當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平或低電平均可。 運(yùn)行速度慢， 7 當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí)，機(jī)器周期達(dá) 1us，適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運(yùn)行的需要。因此提高了運(yùn)行速度。具有在線調(diào)試及編程（ ISP）功能。只有 5 個(gè)專用寄存器 PCL、STATUS、 FSR、 PCLATH、 INTCON 在 4 個(gè)存儲(chǔ)體內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)。 AVR 系列 優(yōu)點(diǎn)：高性能、高速度、低功耗。 AVR 的 I/O 腳類似 PIC，它也有用來控制輸入或輸出的方向寄存器，在輸出狀態(tài)下，高電平輸出的電流在 10mA 左右，低電平吸入電流 20mA。 缺點(diǎn)：通用寄存器少通用寄存器 R0～ R31 就顯得不夠用；而 51 系列的通用寄存器多達(dá) 128 個(gè)（為 AVR 的 4 倍），編程時(shí)就不會(huì)有這種感覺。片內(nèi)裝載程序?qū)崿F(xiàn) ISP 和 IAP，大大提高了編程效率。 結(jié)合 設(shè)計(jì)的需求 ，我選擇了 51 單片機(jī)。串行傳輸類型主要有以下幾種： （ 1)RS232串行通信接口 目前 RS232是 PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接 口 。當(dāng)無數(shù) 據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。所以 RS232適合本地設(shè)備之間的通信。 為此常改用 RS422傳輸方式。另有一個(gè)信號(hào)地 c，在 RS485中還有一 ’使能’端，而在 RS422中這是可用可不用的。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5根線。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 lO4k+100Q(終接電阻 )。只有在很短 的距離下才能獲得最高速率傳輸嘲。常用的芯片是 MAX232， MAX232 的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）一片芯片可以完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。 串行通信接口選擇 PC機(jī)串口分為 9針串口 (DB9)和 25針串口 (DB25)兩種， 目前比較常見的是 9針串口。 表 DB9和 DB25的常用信號(hào)腳說明 9針串口（ DB9） 25針串口（ DB25） 針號(hào) 功能說明 縮寫 針號(hào) 功能說明 縮寫 1 數(shù)據(jù)載波檢測(cè) DCD 8 數(shù)據(jù)載波檢測(cè) DCD 11 2 接收數(shù)據(jù) RXD 3 接收數(shù)據(jù) RXD 3 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 2 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備 DTR 20 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備 DTR 5 信號(hào)地 GND 7 信號(hào)地 GND 6 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好 DSR 6 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好 DSR 7 請(qǐng)求發(fā)送 RTS 4 請(qǐng)求發(fā)送 RTS 8 清除發(fā)送 CTS 5 清除發(fā)送 CTS 9 振鈴指示 DELL 22 振鈴指示 DELL 串口通信接口，由于生活中常用 9針接口， 9針接口比較簡(jiǎn)單，由于二者沒有明顯的區(qū)別，所以本設(shè)計(jì)選擇 9針接口。 電壓表 電壓表有交流和直流電壓表兩種可供選擇，由于電路中接的是 VCC，即在電路中為電源， 5v 直流電源。同時(shí)，將數(shù)據(jù)通過串口 RS232 方式上傳給上位機(jī)。通過對(duì) RS42 RS232 進(jìn)行分析比較 ，最后選擇便宜、方便的 RS232 通信方式。將測(cè)到的模擬電壓通過 ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，轉(zhuǎn)換中通過 ADD A 、 ADD B 控制選擇 轉(zhuǎn)換那路電壓。 圖 硬件總 電路圖 單片機(jī) AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元。 14 圖 AT 89C51 引腳結(jié)構(gòu) 89C51 單片機(jī)在本次設(shè)計(jì)中充當(dāng)“大腦”的角色，通過單片機(jī)控制 ADC0808轉(zhuǎn)換器選擇轉(zhuǎn)換具體某路模擬電壓值，并將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字電壓值通過 P0 口在LCD 液晶顯示屏上面顯示，同時(shí)將轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓值，通過控制串口上傳到上位機(jī)上面。 復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。如果在電容兩端并聯(lián)一個(gè)按鍵，就成了按鍵復(fù)位電路，只要按下這個(gè)按鍵，單片機(jī)就能復(fù)位而無需下電。得出電路中的設(shè)計(jì)時(shí)間為 ，遠(yuǎn)大于兩個(gè)時(shí)鐘周期，故，電容、電阻值選擇 正確。 內(nèi)部時(shí)鐘方式是在引腳 XTAL1和 XTAL2上跨接一個(gè)石英晶體和電容構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。在這種方式下一般要求外部時(shí)鐘信號(hào)為頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。圖中 C C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。 LCD顯示電路 LM016L液晶模塊采用 HD44780控制器。 IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出； DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫入 DDRAM和 CGRAM，或者暫存從 DDRAM和 CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。 CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量?jī)H 64字節(jié)。 HD44780的控制指令主要有：清除顯示（ Clear Display）、地址歸位（ Return Home）、輸入模式設(shè)定（ Entry Mode Set）、顯示開 /關(guān)控制（ Display On/Off Control）、功能設(shè)定（ Function Set）、設(shè)定 CGRAM的地址（ Set CGRAM Address）、設(shè)定 DDRAM的地址（ Set DDRAM Address）、寫 DDRAM/CGRAM（ Write Date to DDRAM/CGRAM）、讀忙標(biāo)志和地址（ Read Busy Flag and Address）以及從 DDRAM和 CGRAM中讀數(shù)據(jù)（ Read Date from DDRAM/CGRAM）。當(dāng)電平用 OC（集電極開路， TTL）或者（漏極開路， CMOS）輸出，那么不用上拉電阻 是 不能工作的。 LCD VEE引腳處外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器和正、負(fù)電極，目的是為了調(diào)整 LCD的對(duì)比 18 度，當(dāng)滑動(dòng)變阻器間輸出給 LCD的電壓偏高時(shí)， LCD會(huì)更亮，反之，更暗，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)“鬼影”。綜合上述觀點(diǎn)，通常來說，上拉電阻阻值在 1k到 10k之間選取。由 6 腳和 4只電 容構(gòu)成。 其中 13腳（ R1IN）、 12腳（ R1OUT）、 11腳（ T1IN）、 14腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 15 腳 GND、 16腳 VCC（ +5v）。 單片機(jī)與 MAX232 的連接 如圖 所示 20 圖 單片機(jī)與 MAX232 的連接圖 為了實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信，從 MAX232 芯片中的兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口，注意其發(fā)送與接收引腳對(duì)應(yīng)，否則 可能對(duì)器件或計(jì)算機(jī)串口造成永久性損壞。 系統(tǒng)中單片機(jī)作為下位機(jī)， PC機(jī)為上位機(jī)，二者通過 RS232串行口接收或上傳數(shù)據(jù)。MAX232用單 +5V為其工作，配接 4個(gè) 1 pF電解電容即可完成 RS232電平與 TTL電平之聞的轉(zhuǎn)換 。 作為本集成 電路的蓄能電容； 濾除該期間產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進(jìn)行傳播的通路； 21 防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾。 ADC0808 是 ADC0809 的簡(jiǎn)化版本，功能基本相同。 圖 ADC0808 的引腳圖 IN7~IN0 ：八個(gè)通道 的模擬輸入量。三態(tài)輸出， D7 是最高位， D0 是最低位。上升沿后高電平有效。 ADDA、 ADDB、 ADDC：模擬通道地址線，用于選 8 路模擬通道中的一路如 表 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC 輸出高電平。硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)時(shí)序關(guān)系及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的 控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的地址鎖 存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，由于 ALE 和 START 連在一起，因此 AD0808 在鎖存通道的同時(shí)，也啟動(dòng)了 A/D 轉(zhuǎn)換器。 由于 ADD C 接地，當(dāng)單片機(jī)通過 ADD A 、 ADD B 引腳便能控制 ADC0808轉(zhuǎn)換器采集具體那一路的模擬電壓，由于 ADD A 與 P1^0 口相連， ADD B 與 P1^2口相連，當(dāng) P1^0 和 P1^2 輸入低電平時(shí)， ADC0808 采集 IN0 引腳所傳輸?shù)哪M電壓。此地址經(jīng) 譯碼 選通 8 路模擬輸入之一到 比較器 。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到 數(shù)據(jù)總線 上 ，由于 ADC0808 24 輸出口引腳與單片機(jī)的 P2 口相連，數(shù)字量通過 P2 口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。 89C51 單片機(jī)在電路中充當(dāng)“大腦”的角色，通過控制各個(gè)模塊電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、傳送。 A/D 轉(zhuǎn)換電路，采用的是 ADC0808 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)ADD A、 ADD B、 ADD C 輸入電平的控制進(jìn)行通道選擇， START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸 出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換進(jìn)行，直到轉(zhuǎn)換完成。如果循環(huán)計(jì)數(shù)，則定時(shí)器需重置初值，當(dāng) TR0=0 時(shí)，則與門被封鎖，控制開關(guān)被關(guān)斷，停止計(jì)數(shù)。串口方式 3，設(shè)置波特率為 9600， 該程序首先 通過對(duì)串口初始化 ， 判斷中斷，當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)，判斷地址，如果地址正開始 初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 開總中斷 將數(shù)據(jù)顯示在 LCD上 繼續(xù)程序 判斷有無中斷請(qǐng)求 Y N 26 確 ， 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，否則恢復(fù)地址接收狀態(tài) 。 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 在 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)，用 VB 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上， 同時(shí)上位機(jī) 將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)