【正文】 （ 2）從傳感器過來的信號較小（常用熱電偶的輸出變化往往在幾毫伏到幾是毫伏之間，電阻應變 片輸出電壓的變化只有幾個毫伏，人體生物電信號僅是微伏級）。多路模擬開關可以分時選通多個通道中的某一路通道。模擬信號要變成數(shù)字信號，首先要經過采樣，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轉換器的轉換精度，如果把采樣保持電路放在模擬多路開關之前（每通道一個），這可實現(xiàn)對瞬時信號同時進行采樣。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”。早期的采樣保持電路和 A/D 轉換電路需要數(shù)據采集系統(tǒng)設計人員自行設計，目前普遍采用單片集成電路，有的單片 A/D 轉換器內部包括有采樣保持電路、基準電源和接口電路，這為系統(tǒng) 設計提供了較大方便。 單片機系統(tǒng)是整個計算機數(shù)據采集系統(tǒng)的核心。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。 本系統(tǒng)采用的是第二種方案，此方案設計簡單，成本較低，實用于不同場所。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，且都有自動轉入的中斷入口地址； （ 2）內含定時器 /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； （ 4）布爾處理功能強，可擴展用途； （ 5）內部 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)據存儲空間； （ 7）有全雙工串行接口，波特率可編程設置； （ 8）有多種型號，且不同型號的內部程序存儲器不同，用戶可根據需要選用。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)據接收 ： TXD串行數(shù)據發(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)據存儲器寫信號 ： RD外部數(shù)據存儲器讀信號 RST/VPD：復位引腳，這是一個雙功能引腳，復位 /備用電源： 復位功能 RST：單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的。給應用系統(tǒng)中的地址鎖存器提供鎖存控制信號，實現(xiàn)地址 /數(shù)據分時復用。在訪問外部程序存儲器時，在每個機器周期， PSEN 兩次有效。 Vss：接地端。 主要指標： 分辨率 8 位 線性誤差士 l / 2LSB 單電源 5VDC 低功耗 15mw 轉換時間 100US 分辨率為 1/ 28 ≈ % 模擬電壓轉換范圍是 0 +5 V 標準轉換時間為 100?s 各引腳功能如下 ： IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將 A/D轉換得到的 8位數(shù)字量送到數(shù)據總線上。 Vcc：工作電源， ?5VDC。 其主要功能如下： (1)內含一個鋰電池，斷電情況運行十年以上不丟失數(shù)據。 SQW(方波信號同 )： SQW 管腳能從實時時鐘內部 15 級分頻器的 13 個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器 A編程改變。 CS(片選輸入 )：在訪問 DS12887的總線周期內，片選信號必須保持為低。寬范圍帶寬使 LF198可放于 1MHZ運算放大器反饋回路內，而不引起穩(wěn)定性間題。 在 Ck=， 數(shù)據采集模塊電路設計 如果在數(shù)據采集器中，直接使用模數(shù)轉換器對模擬信號進行轉換，則應該考慮到任何一種模數(shù)轉換器都需要有一小段時間來完成量化及編碼操作。顯然，如在孔徑時間 Ta 內，輸入模擬信號仍在孔徑時間 Ta 內，輸入模擬信號仍在變化時進行量化，會引入一定的誤差，稱其為“孔徑誤差”，仍考慮對輸入的正弦信號采樣，那么對 M位 ADC，并采用 SHA的數(shù)據采集器。保持起把 kTt? 時刻的采樣值保持到 A/D 轉換結束。 A/D 轉換器的任務是完成采樣信號到數(shù)字信號的轉換， ADC0809 是逐次逼近式，轉換時間為100μ s 的 8 位轉換器，它的線性誤差為177。 C B A 選中通道 0 0 0 INT0 0 0 1 INT1 0 1 0 INT2 0 1 1 INT3 1 0 0 INT4 1 0 1 INT5 1 1 0 INT6 1 1 1 INT7 ADC0809的量化單位 8)()( 2/][ ?? ?? R E FR E F VVq ALE START OE DO7~1 EOC 16 本系統(tǒng)基準電壓 VVREF )( ?? ， VVREF 0)( ?? 此時 q=（ ） /28=20Mv， 轉換結果 D= )(/)( mVqmVVIN A/D轉換器與單片機的硬件接口一般有兩種方法，一種方法是通過并行 I/O接口與 8051A單片機連接（例如 8155 或 8255）需要占用兩個并行口（其中一個端口接 A/D 轉換器數(shù)據線，另一 個端口用來產生 A/D轉換器工作控制信號）；第二種接口方法是利用 ADC0809轉換器三態(tài)輸出鎖存功能，可以直接與 8051的總線連接，在系統(tǒng)中把 ADC0809轉換器當作外部 RAM單元對待。本系統(tǒng)采用的 Intel18279是一個專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對顯示器和鍵盤的掃描。 17 掃描計數(shù)器通過 SL0~SL3輸出掃描信號，掃描信號分為譯碼和編碼兩種。在傳感器矩陣方式工作時，這個存儲器是傳感器 RAM，它的每一位對應著一個傳感器的狀態(tài)。 采用鍵入不同的值進入不同的模式，進行各種不同功能的實現(xiàn)，如果在沒按下“ ”鍵以前有鍵按下，判斷為誤操作，程序不予處理，當按下“ ”鍵時，系統(tǒng)進入采集模式，當鍵入的是“ *”鍵時，系統(tǒng)進入的是通信模式，當在數(shù)據采集模式下鍵入的是“ ”鍵時，系統(tǒng)就進入了查詢模式，如開始 初始化（鍵盤、顯示、存儲、打印） 讀 ADC0809 狀態(tài)（是否空閑） 讀打印機狀態(tài)（是否空閑） 設置各通道數(shù)據存放地址段 判斷鍵盤送來的字符 查詢模式 通信模式 數(shù)據采集模式 結束 19 果需要將查詢到的數(shù)據打印出來，就需要再一次按下“ ”鍵，從而使 系統(tǒng)完成各項功能。進入數(shù)據查詢模式我們就可以根據輸入的時間來查詢那一時刻所存儲的數(shù)據，按下打印鍵，系統(tǒng)將為你進行把所查詢到的數(shù)據進行打印。設置 1通道的上限值 MOV X1max,AL MOV AL,0A0H 。通道號設置為 0 L3： MOV R3， 8；采集次數(shù)設置為 8 L4： MOVX DPTR， 220H；啟動 A/D轉換 MOVX DPTR,A MOV R7,0FFH。設置 5通道的上限值 MOV X5max,AL MOV AL, 0E0H 。然后就是第二通道的采集。查表轉換成有序編碼 CJNE A， 0AH， KEY1 KEY1： JC PDATA；是數(shù)字鍵 ，轉 PDATA處理 SUBB A， 0AH；以下為命令處理 MOV B， 03H MUL AB MOV DPTR， COMTAB JMP A+DPTR COMTAB: LJMP FIND。 18 第 4 章 單片機數(shù)據采集與通信系統(tǒng)軟件設計 上一章我們對系統(tǒng)的幾個主要硬件部分進行了介紹，這些構成了數(shù)據采集和通信系統(tǒng)的硬件基礎。當有鍵按下時，該鍵在行列中的位置上 SHIFT和 CNTL的狀態(tài)一起被送到 FIFO存儲器中，同時使 IRQ變高。此時若 A0=1。經反相器可向 CPU發(fā)送一個高電平信號。同時 START 的上升沿將轉換器內部清零，下降沿起動 A/D轉換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉換結束信號 EOC 即變?yōu)榈碗娖?。減小 HC 可提高采樣頻率，但 會降低精度。 ADC接著進行離散信號的量化。 現(xiàn)在考慮對正弦波信號 ftVV FS ?2sin? 采樣，在轉換時間 TCONV內，信號電壓的最大改變發(fā)生在正弦信號過零時，所以 fvFSdtdV t ?20 ?? 而在轉換時間 TCONV內最大可能的 0???? tC O N V dtdVTV 由此可以得出：CONVFS fTVV ?2?? 其中 f為輸入的正弦信號頻率。 LM198的工作電源為177。 工作在177。 RESET(復位輸出 )：當該腳保持低電平時間大于 200ms，保證 DS12887有效復位。選擇 INTEL時序時， DS稱作 (RD)，RD與典型存貯器的允許信號 (OE)的定義相同。 12 (5)MOTOROLA5和 INATAEL總線時序 選擇。 滿量程調整：這是當輸人電壓是滿量程 1/2LSB ( 量程時比滿量程低 60mV ，輸出從0000000l 變?yōu)?00000000。 CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。 START：啟動 A/D轉換信號，輸入，高電平有效。 該器件取消了外部調零和滿量程調整。 10 Vpp：片內程序存儲器編程電壓。對于 EPROM 型單片機，在對片內程序存儲器編程時，該引腳輸入編程脈沖信號。 XTAL1和 XTAL2 是 MCS51 系列單片機的時鐘引腳。在 EPROM編程和程序驗證時，它接受低 8位地址。在硬件設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。 ( 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。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。以進一步用于處理、顯示、記錄、查詢和傳輸。評價智能儀表數(shù)據采集部分的 主要技術指標有分辨率、精度、輸人信號形式和信號電平、采集速度，抗干擾能力，設計時應根據被測變量的信號特性，儀表的整機技術要求，確定這些指標的具體數(shù)值。在工程上采樣頻率應取被采樣信號所含最高頻率的兩倍．通常采用 1020倍 。在數(shù)據通過率超過 40~50kHz時，一般不宜使用分時的多路開關。 例如，為了減少輸入信號的共模分量，就采用各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了使不同數(shù)量級的輸入電壓都具有最佳變換 ，就產生了量程可以變換的程控放大器；為了減少放大器輸入的漂移，就產生了斬波為零和激光修正的精密放大器。 信號調理部分 信號調理電路的主要作用就是把傳感器輸出的電學量變成具有一定功率的模擬電壓信號或數(shù)字信號，以推動后級的輸出顯示或記錄設備、數(shù)據處理裝置及執(zhí)行機構。 數(shù)字實時顯示： LED 將實時顯示采集的數(shù)據，并且能夠顯示查詢時輸入的查詢量和查詢到的數(shù)據。它的精度會直接影響到整個采集系統(tǒng)的精度。目前，單片機正在過程控制、數(shù)據采集、智能儀表、機電一體化、家用電器以及網絡技術等領域中發(fā)揮著重要的控制作用。 本系統(tǒng)采用模數(shù)轉換、微處理器、存儲器等芯片來實現(xiàn) 8路數(shù)據的采集，將采集的信號進行存儲，按時間上傳到上位機 PC，通過不同模式的選擇進行數(shù)據采集、查詢、打印和顯示等。在文中較系統(tǒng)的介紹了從模擬信號到數(shù)字信號的轉換過程和討論了轉換過程中的技術參數(shù)等問題，在文中最后還進行了系統(tǒng)存在的一些誤差分析。 面對大量的數(shù)據，人工處理已遠 遠無法滿足時代的要求，依靠微電子技術來實現(xiàn)數(shù)據的采集、存儲和顯示、查詢，成為適應時代步伐的唯一有效的出路。本文將利用傳統(tǒng)的數(shù)據采集系統(tǒng)設計方法，以實現(xiàn) 不同傳感器信號的處理。 可以將采集的數(shù)據及時上傳到上位 PC機功能； 可按時間查詢歷史數(shù)據，也很方便的打印出來 系統(tǒng)各部分的功能 要完成這些功能主要依靠傳感器、信號處理電路、顯示裝置、數(shù)據處理裝置和 執(zhí)行機構等。根據測量對象和顯 示方法的不同，信號處理電路可以是簡單的傳輸電纜，也可以是由許多電子元件組成的數(shù)據采集卡，甚至包括計算機在內的裝置。 （ 3） 傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會產生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲，常見的工頻信號就是人為干擾源。模擬開關也可以根據需要安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關的類型；若選用繼承電路的模擬多路開關，由于它比干簧和繼電器組成的多路模擬開關導通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差 產生。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，這時就應在 A / D 轉換 之前加入抗混疊模擬濾波器，濾掉多余的高頻分量。 采樣保持電路輸出的信號送至 A/D 轉換器， A/D 轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。模擬輸入信號的采樣脈沖應做得很窄，以便在采樣脈沖空余時間可以進行多路復用。 為了讓系統(tǒng)便于操作，按照需要和設定模式進行運行，那就需要人機交互裝置 —— 鍵盤。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)據處理更加方便。 功能強大的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產工藝的提高，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，是硬件設計的首選。 ~： P2口是帶內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口。兩引腳連接于單片機內部的一個高增益反向放大器，用于與外部振蕩源一起構成振蕩電路。 PSEN ：外部程序存儲器讀寫信號，輸出，低電平有效。對于 EPROM 型單片機，在對片內 EPROM編程時， Vpp引腳輸入21V的編程電源電壓。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。上升沿時將轉換器內部清零，下降沿時啟動 A/D轉換。當脈沖頻率為