【文章內(nèi)容簡介】 航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAS)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 2 頁 采用模 塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，井結(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)。 [1] 盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這井不會(huì)對基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)其多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而單片機(jī) 又其有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí) 進(jìn)行采 集，因此能夠開發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通 過采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)行析、處理、傳輸 、顯示、存儲(chǔ)和顯示。它起始于 20 世紀(jì)中期，在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是日前社會(huì)的發(fā)展主流方向。各種領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集 、衛(wèi) 星遙感成像、無人機(jī)、艦載傳感器系統(tǒng) 領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。 [1] 國內(nèi)在該方向的研究現(xiàn)狀 早期， 對于大部分制造業(yè)企業(yè)，測量儀器的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集一直是個(gè)令人煩惱的事情，即使儀器已經(jīng)具有 RS232/485 等接口，但仍然在使用一邊測量，一邊手工記錄到紙張，最后再輸入到 PC 中處理的方式，不但工作繁重，同時(shí)也無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，常常管理人員得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)是滯后了一兩天的數(shù)據(jù)；而對于現(xiàn)場的不良產(chǎn)品信息及相關(guān)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)高效率、簡潔、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集更是一大難題。 由研究人員研發(fā)的 生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)解決 了這一問題， 整個(gè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，軟、硬件均采用了模塊化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集部分采用自行開發(fā)的帶光隔離的 RS485 網(wǎng)，通信效率高，安全性好，結(jié)構(gòu)簡單。后臺系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際被監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模大小及要求，構(gòu)成 485 網(wǎng)、 Novell 網(wǎng)及 Windows NT 網(wǎng)等分布式網(wǎng)絡(luò)。由于軟、硬件均為分布式、模塊化結(jié)構(gòu)，因而便于系統(tǒng)升級、維護(hù)，且根據(jù)需要組成不同的系統(tǒng)。 .數(shù)據(jù)處理在 Windows NT 平臺上采用Visual C++語言編程，處理能力強(qiáng)、速度快、界面友好，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享。 [2] 我國的數(shù)字 地震觀測系統(tǒng)主要采用 TDE124C 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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TDE3240 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集對地 震計(jì)輸出的電信號模擬放大后送至 A/D 數(shù)字 化， A/D 采用同時(shí) 采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng) DSP 數(shù)字 濾波處理后， 變成數(shù)字地震信號。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具 備 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ，采樣率有 5 0HZ,100HZ,200HZ。 [1] 河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 3 頁 國外在該方向的研究現(xiàn)狀 由美國 PASCO 公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由 3 部分組成 :（ 1）傳感 器 :利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù) 。（ 2）計(jì)算機(jī)接口 :將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為 25 萬次 /S。（ 3）軟件 :中文及英文的應(yīng)用軟件。 [1] 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。如愛爾蘭 ACRA 公司 2020 年研發(fā)推出的新一代 KAM500 機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。到了 2020 年。本系統(tǒng)采用 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，總采樣率達(dá) 500K/s，可以利用方式組成高達(dá) 1000 通道的大容量的分布式采集系統(tǒng)。 [1] 該課題研究的主要內(nèi)容 數(shù)據(jù) 采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、 處理以及控制等問題。它 是對傳感器信一號的測量與處理，以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù) 為基 礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號獲取對象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日 益重要的檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用上 工 農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場合。數(shù)據(jù)采集是 工 業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。 盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的 可編程數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，并且適于通用微機(jī) (IBM PC 系列 )使用的板卡級 數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品也已大量出現(xiàn)，組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單到只需要一塊數(shù)據(jù)采集 卡，把它 插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)，并輔以應(yīng)用軟什，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并 不會(huì)對基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、開發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，使得基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒有上位機(jī)的支 持，不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)容量都是有限的，所以不得不對存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋刷新，這樣不利于用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，因而也不能對生產(chǎn)過程的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。 本系統(tǒng) 采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集，從單片機(jī)負(fù)責(zé)采集八路數(shù)據(jù)，并應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令，上位機(jī)即主機(jī)是負(fù)責(zé)處理接受過來的數(shù)字 量的處理 、存儲(chǔ) 及河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 4 頁 顯示，主機(jī)和從機(jī)之間用 RS232 進(jìn)行通信。這樣用戶可以在上位機(jī)上編寫各種程序?qū)ξ?件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢 和分析，有利于工 業(yè)過程的長期正常運(yùn)行和檢查。由于本人能力有限并未實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能，只利用現(xiàn)有硬件實(shí)現(xiàn) 了下位機(jī)功能。河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 5 頁 第 2 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 (DAQ)，是指從轉(zhuǎn)感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測一單 元中自動(dòng)采 集 非電量 或者電量信一號，送到 上 位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)是結(jié)合基于 計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈 活的、用戶自定義的測量系統(tǒng) 。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。 通常，必須在數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集之前調(diào) 制傳感器信號，包括對其進(jìn)行增益或衰減和 隔離，放大，濾波等 .對待某些傳感器，還需要提供激 勵(lì)信 號 .數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以將多路模擬信 號自 動(dòng)地進(jìn)行采集并進(jìn)行數(shù)字化測量，再送到計(jì)算機(jī) 中 進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存 儲(chǔ)或打 印，從而獲得有關(guān)被測對象的大 量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有 廣 泛的應(yīng)用前景，如 工 廠為對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制，必須實(shí)時(shí)測量 出反映 工 藝流程和產(chǎn)品質(zhì) 的各種參量。因此，在工 農(nóng)業(yè)、科研、國防、環(huán)保及日常 生 活等各個(gè)領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)過程控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、質(zhì)量檢測 等任務(wù)，大多要應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 70 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及 高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。原來由小規(guī)模集 成的數(shù)字 邏輯電路 及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。由微處理器去完成程序控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的 靈活性和可靠性大大地提高，系統(tǒng)硬件成本和系統(tǒng)的重建費(fèi)用大大地降低。 數(shù)據(jù)采集的目的 數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量 電 壓、電流、溫度 或聲音等物理現(xiàn)象。 給予 PC的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件 和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，進(jìn)行測量。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，但各個(gè)系統(tǒng) 采集、 分析和顯示信 息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合了信 號、傳感 器、激勵(lì)器、信 號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件 。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的主要分支。外部現(xiàn)實(shí)對 象 （廣 義的外部 設(shè)備 )通過接口和計(jì)算機(jī)交換信息，在現(xiàn)實(shí)對象 中 ， .信息表現(xiàn)為不 同 的形式并有明確的物理意義，通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來掌握單片機(jī)對數(shù)據(jù) 的采集及其處理的過程，并將學(xué)習(xí)到的理論知識聯(lián)系到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中 。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信 號調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路， A/D 轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)或 ARM 等組成。 本系統(tǒng)只對 0V5V的電壓信號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換，河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 6 頁 所以只包含 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī) /ARM 等。 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)框圖如 圖 21： 電 腦 U S B上 位 機(jī) v is u a l C + + 通 信軟 件單 片 機(jī)P L 2 3 0 3A /D 轉(zhuǎn) 換 芯片L C D 1 6 0 2采 集 信 號0 V 到 5 V電 壓 信 號 圖 21 多路采集系統(tǒng)系統(tǒng)框圖 主要芯片 (1)89C52 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用 ATMEL公司可靠的 CMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 的HCMOS 產(chǎn)品。它結(jié)合了 CMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CMOS 的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于 89C51 增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制 等應(yīng)用場合。 89C52 內(nèi)置 8 位中央處理單元、 256 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、 8k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM） 32 個(gè)雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器和 5個(gè)兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外， 89C52 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 7 頁 CPU 而 RAM 定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。 89C52 有 PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。 [2] (3)PCF8591 是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、 8bit CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591 具有 4 個(gè)模擬輸入、 1 個(gè)模擬輸出和 1 個(gè)串行 I2C 總線接口。 PCF8591的 3 個(gè)地址引腳 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同 一 個(gè) I2C 總線上接入 8 個(gè) PCF8591 器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。 [3] (4)LCD1602 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02 即 32 個(gè)字符。（ 16 列 2行） 1602 液晶也叫 1602 字符 型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符 號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè) 5X7 或者 5X11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符 間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形 。 [4] 涉及到的軟件 (1)KEIL C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 KEIL 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision ）將這些部分組合在一起。運(yùn)行 K e I l 軟件需要 WIN9 NT、 WIN20WINXP 等操作系統(tǒng)。 [5] (2)Visual C++ ，簡稱 VC 或者 ，是微軟推出的一款 C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機(jī)器語言（低級語言）”的程