【正文】 （ 2）從傳感器過來的信號(hào)較?。ǔＳ脽犭娕嫉妮敵鲎兓趲缀练綆资呛练g，電阻應(yīng)變 片輸出電壓的變化只有幾個(gè)毫伏，人體生物電信號(hào)僅是微伏級(jí)）。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通多個(gè)通道中的某一路通道。模擬信號(hào)要變成數(shù)字信號(hào)，首先要經(jīng)過采樣，采樣保持器是快速拾取輸入信號(hào)的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣保持電路放在模擬多路開關(guān)之前（每通道一個(gè)），這可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣。由于采樣周期隨被測(cè)信號(hào)周期變化，故通常稱之為“變步長(zhǎng)采樣”。早期的采樣保持電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自行設(shè)計(jì)，目前普遍采用單片集成電路，有的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括有采樣保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路，這為系統(tǒng) 設(shè)計(jì)提供了較大方便。 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)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(cè)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，實(shí)用于不同場(chǎng)所。它主要特性如下： （ 1）具有兩級(jí)中斷優(yōu)先處理能力，可管理 5個(gè)中斷源，且都有自動(dòng)轉(zhuǎn)入的中斷入口地址； （ 2）內(nèi)含定時(shí)器 /計(jì)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(qiáng)，可直接帶外設(shè)； （ 4）布爾處理功能強(qiáng)，可擴(kuò)展用途； （ 5）內(nèi)部 RAM和寄存器有位尋址功能； （ 6）外部具有獨(dú)立的 64K程序存儲(chǔ)空間和 64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； （ 7）有全雙工串行接口，波特率可編程設(shè)置； （ 8）有多種型號(hào)，且不同型號(hào)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器不同，用戶可根據(jù)需要選用。除基本輸入 /輸出功能外每個(gè)引腳還有專用功能，其專用引腳功能： ： RXD串行數(shù)據(jù)接收 ： TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送 ： INT0外部中斷 0請(qǐng)求輸入 ： INT1外部中斷 1請(qǐng)求輸入 ： T0定時(shí)器 0外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 ： T1定時(shí)器 1外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 ： WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào) ： RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) RST/VPD：復(fù)位引腳，這是一個(gè)雙功能引腳，復(fù)位 /備用電源： 復(fù)位功能 RST：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。給應(yīng)用系統(tǒng)中的地址鎖存器提供鎖存控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期， PSEN 兩次有效。 Vss：接地端。 主要指標(biāo)： 分辨率 8 位 線性誤差士 l / 2LSB 單電源 5VDC 低功耗 15mw 轉(zhuǎn)換時(shí)間 100US 分辨率為 1/ 28 ≈ % 模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是 0 +5 V 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100?s 各引腳功能如下 ： IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將 A/D轉(zhuǎn)換得到的 8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。 Vcc：工作電源， ?5VDC。 其主要功能如下： (1)內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電情況運(yùn)行十年以上不丟失數(shù)據(jù)。 SQW(方波信號(hào)同 )： SQW 管腳能從實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)部 15 級(jí)分頻器的 13 個(gè)抽頭中選擇一個(gè)作為輸出信號(hào)，其輸出頻率可通過對(duì)寄存器 A編程改變。 CS(片選輸入 )：在訪問 DS12887的總線周期內(nèi)，片選信號(hào)必須保持為低。寬范圍帶寬使 LF198可放于 1MHZ運(yùn)算放大器反饋回路內(nèi)，而不引起穩(wěn)定性間題。 在 Ck=， 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì) 如果在數(shù)據(jù)采集器中，直接使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)該考慮到任何一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要有一小段時(shí)間來完成量化及編碼操作。顯然，如在孔徑時(shí)間 Ta 內(nèi)，輸入模擬信號(hào)仍在孔徑時(shí)間 Ta 內(nèi)，輸入模擬信號(hào)仍在變化時(shí)進(jìn)行量化，會(huì)引入一定的誤差，稱其為“孔徑誤差”，仍考慮對(duì)輸入的正弦信號(hào)采樣，那么對(duì) M位 ADC，并采用 SHA的數(shù)據(jù)采集器。保持起把 kTt? 時(shí)刻的采樣值保持到 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。 A/D 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是完成采樣信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換， ADC0809 是逐次逼近式，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μ s 的 8 位轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓 VVREF )( ?? ， VVREF 0)( ?? 此時(shí) q=（ ） /28=20Mv， 轉(zhuǎn)換結(jié)果 D= )(/)( mVqmVVIN A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)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(jī)連接（例如 8155 或 8255）需要占用兩個(gè)并行口（其中一個(gè)端口接 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)線，另一 個(gè)端口用來產(chǎn)生 A/D轉(zhuǎn)換器工作控制信號(hào)）；第二種接口方法是利用 ADC0809轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器當(dāng)作外部 RAM單元對(duì)待。本系統(tǒng)采用的 Intel18279是一個(gè)專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對(duì)顯示器和鍵盤的掃描。 17 掃描計(jì)數(shù)器通過 SL0~SL3輸出掃描信號(hào)，掃描信號(hào)分為譯碼和編碼兩種。在傳感器矩陣方式工作時(shí)，這個(gè)存儲(chǔ)器是傳感器 RAM，它的每一位對(duì)應(yīng)著一個(gè)傳感器的狀態(tài)。 采用鍵入不同的值進(jìn)入不同的模式，進(jìn)行各種不同功能的實(shí)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(dāng)按下“ ”鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入采集模式，當(dāng)鍵入的是“ *”鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入的是通信模式，當(dāng)在數(shù)據(jù)采集模式下鍵入的是“ ”鍵時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入了查詢模式，如開始 初始化（鍵盤、顯示、存儲(chǔ)、打?。? 讀 ADC0809 狀態(tài)（是否空閑） 讀打印機(jī)狀態(tài)（是否空閑） 設(shè)置各通道數(shù)據(jù)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(jù)采集模式 結(jié)束 19 果需要將查詢到的數(shù)據(jù)打印出來，就需要再一次按下“ ”鍵，從而使 系統(tǒng)完成各項(xiàng)功能。進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢模式我們就可以根據(jù)輸入的時(shí)間來查詢那一時(shí)刻所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，按下打印鍵，系統(tǒng)將為你進(jìn)行把所查詢到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。設(shè)置 1通道的上限值 MOV X1max,AL MOV AL,0A0H 。通道號(hào)設(shè)置為 0 L3： MOV R3， 8；采集次數(shù)設(shè)置為 8 L4： MOVX DPTR， 220H；啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換 MOVX DPTR,A MOV R7,0FFH。設(shè)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(zhuǎn)換成有序編碼 CJNE A， 0AH， KEY1 KEY1： JC PDATA；是數(shù)字鍵 ，轉(zhuǎn) 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(jī)數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 上一章我們對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)主要硬件部分進(jìn)行了介紹，這些構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。當(dāng)有鍵按下時(shí)，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(chǔ)器中，同時(shí)使 IRQ變高。此時(shí)若 A0=1。經(jīng)反相器可向 CPU發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)。同時(shí) START 的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC 即變?yōu)榈碗娖健p小 HC 可提高采樣頻率，但 會(huì)降低精度。 ADC接著進(jìn)行離散信號(hào)的量化。 現(xiàn)在考慮對(duì)正弦波信號(hào) ftVV FS ?2sin? 采樣，在轉(zhuǎn)換時(shí)間 TCONV內(nèi)，信號(hào)電壓的最大改變發(fā)生在正弦信號(hào)過零時(shí)，所以 fvFSdtdV t ?20 ?? 而在轉(zhuǎn)換時(shí)間 TCONV內(nèi)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(hào)頻率。 LM198的工作電源為177。 工作在177。 RESET(復(fù)位輸出 )：當(dāng)該腳保持低電平時(shí)間大于 200ms，保證 DS12887有效復(fù)位。選擇 INTEL時(shí)序時(shí)， DS稱作 (RD)，RD與典型存貯器的允許信號(hào) (OE)的定義相同。 12 (5)MOTOROLA5和 INATAEL總線時(shí)序 選擇。 滿量程調(diào)整：這是當(dāng)輸人電壓是滿量程 1/2LSB ( 量程時(shí)比滿量程低 60mV ，輸出從0000000l 變?yōu)?00000000。 CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。 START：?jiǎn)?dòng) A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。 該器件取消了外部調(diào)零和滿量程調(diào)整。 10 Vpp：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器編程電壓。對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳輸入編程脈沖信號(hào)。 XTAL1和 XTAL2 是 MCS51 系列單片機(jī)的時(shí)鐘引腳。在 EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接受低 8位地址。在硬件設(shè)計(jì)中盡量采用了功能強(qiáng)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(cè)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(jī)器時(shí)間，本系統(tǒng)采用了 DS12887芯片得到需要的機(jī)器時(shí)間。以進(jìn)一步用于處理、顯示、記錄、查詢和傳輸。評(píng)價(jià)智能儀表數(shù)據(jù)采集部分的 主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、精度、輸人信號(hào)形式和信號(hào)電平、采集速度，抗干擾能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)變量的信號(hào)特性，儀表的整機(jī)技術(shù)要求，確定這些指標(biāo)的具體數(shù)值。在工程上采樣頻率應(yīng)取被采樣信號(hào)所含最高頻率的兩倍．通常采用 1020倍 。在數(shù)據(jù)通過率超過 40~50kHz時(shí)，一般不宜使用分時(shí)的多路開關(guān)。 例如，為了減少輸入信號(hào)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(jí)的輸入電壓都具有最佳變換 ，就產(chǎn)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(chǎn)生了斬波為零和激光修正的精密放大器。 信號(hào)調(diào)理部分 信號(hào)調(diào)理電路的主要作用就是把傳感器輸出的電學(xué)量變成具有一定功率的模擬電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 數(shù)字實(shí)時(shí)顯示： LED 將實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，并且能夠顯示查詢時(shí)輸入的查詢量和查詢到的數(shù)據(jù)。它的精度會(huì)直接影響到整個(gè)采集系統(tǒng)的精度。目前，單片機(jī)正在過程控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀表、機(jī)電一體化、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的控制作用。 本系統(tǒng)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器、存儲(chǔ)器等芯片來實(shí)現(xiàn) 8路數(shù)據(jù)的采集，將采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，按時(shí)間上傳到上位機(jī) PC，通過不同模式的選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程和討論了轉(zhuǎn)換過程中的技術(shù)參數(shù)等問題，在文中最后還進(jìn)行了系統(tǒng)存在的一些誤差分析。 面對(duì)大量的數(shù)據(jù)，人工處理已遠(yuǎn) 遠(yuǎn)無法滿足時(shí)代的要求，依靠微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和顯示、查詢，成為適應(yīng)時(shí)代步伐的唯一有效的出路。本文將利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn) 不同傳感器信號(hào)的處理。 可以將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到上位 PC機(jī)功能； 可按時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)，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(hào)處理電路、顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。根據(jù)測(cè)量對(duì)象和顯 示方法的不同，信號(hào)處理電路可以是簡(jiǎn)單的傳輸電纜，也可以是由許多電子元件組成的數(shù)據(jù)采集卡，甚至包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的裝置。 （ 3） 傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲，常見的工頻信號(hào)就是人為干擾源。模擬開關(guān)也可以根據(jù)需要安排在放大器之前，但當(dāng)輸入的信號(hào)電平較低時(shí)，需注意選擇多路模擬開關(guān)的類型；若選用繼承電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干簧和繼電器組成的多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差 產(chǎn)生。實(shí)際測(cè)量時(shí)信號(hào)往往會(huì)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(dá)到采樣定理的要求，這時(shí)就應(yīng)在 A / D 轉(zhuǎn)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(hào)送至 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。模擬輸入信號(hào)的采樣脈沖應(yīng)做得很窄，以便在采樣脈沖空余時(shí)間可以進(jìn)行多路復(fù)用。 為了讓系統(tǒng)便于操作，按照需要和設(shè)定模式進(jìn)行運(yùn)行，那就需要人機(jī)交互裝置 —— 鍵盤。這類檢測(cè)儀器還可附加打印機(jī)，打印記錄測(cè)量數(shù)值，并易于計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，使數(shù)據(jù)處理更加方便。 功能強(qiáng)大的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的價(jià)格不斷下降，體積不斷縮小，具有很高的性價(jià)比，是硬件設(shè)計(jì)的首選。 ~： P2口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口。兩引腳連接于單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)高增益反向放大器，用于與外部振蕩源一起構(gòu)成振蕩電路。 PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)，輸出，低電平有效。對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在對(duì)片內(nèi) EPROM編程時(shí)， 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(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)脈沖頻率為