【文章內(nèi)容簡介】 ................... 24 模擬開關(guān)電路 4067 的工作原理 ............................................................ 26 MAX187 的硬件設(shè)計 .............................................................................. 27 MAX187 工作過程 ....................................................................... 27 5 模擬量輸入系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .............................................................................. 29 簡介 KeilUvision2 ................................................................................... 29 數(shù)據(jù)采集的程序 ...................................................................................... 35 MAX187 的 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 ................................................................. 38 結(jié) 論 ..................................................................................................................... 40 致 謝 ..................................................................................................................... 41 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 42 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 研究背景及其目的意義 近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20 世紀(jì) 50 年 代， 1956 年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標(biāo)是測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測試任務(wù)是由測試設(shè)備高速自動控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有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)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在 60 年代后期，國內(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) 70 年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表、計算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 因而獲得了驚人的發(fā)展。從 70 年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 80 年代隨著計算機(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)采集與自動測試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多。 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)。 20 世紀(jì) 90 年代至今，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(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)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，并結(jié)合系統(tǒng)北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(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，但這并不會對基于單片機(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)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時進(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并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。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)的信息化是目前社會的發(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)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。 我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用 TDE124C型 TDE224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，又成功研制了動態(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)。該數(shù)據(jù)采集對拾震計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)化位數(shù)，采樣率有 50HZ、100HZ、 200HZ。 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)時采集技術(shù)可實(shí)時采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（ 2）計算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計算機(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。 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（ A/D）模擬數(shù)字變換，總采樣率達(dá) 500K/S，同步時間北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 為 +/250ns，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)。 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、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理，以 微型計算機(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)采集是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機(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)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時監(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) (如 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)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片機(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)存儲器，它的存儲容量都是有限的，所以不得不對存儲的歷史數(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)是一個實(shí)用的數(shù)據(jù)采集和超限報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī) 89C51 為核心，選用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多 16 路模擬量輸入信號，并設(shè)置了 8 個開關(guān)量輸出通道，對外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和超限報警處理。 這里，主要包括 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計 ，應(yīng)用多路模擬開關(guān) 4067 和 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187。多路模擬開關(guān) 4067 是一個 16選 1 模擬開關(guān)電路，通過它可以由軟件分時選通各個模擬通道的輸入。 MAX187 是一個 12 位串行接口的 A/D 轉(zhuǎn)換器，采用三線 SPI 總線和微 處理器通信，接口簡單，精度高，功耗低。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程一般要包括總體方案的設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真調(diào)試和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等幾部分。 在對應(yīng)用對象論證、分析的基礎(chǔ)上，確定總體方案，合理地安排系統(tǒng)軟件、硬件的技術(shù)要求。硬件系統(tǒng)設(shè)計包括原理圖設(shè)計、 PCB（印制電路板）設(shè)計、制版和組裝、硬件調(diào)試等工作。軟件系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)總體方案和硬件電路，設(shè)計出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制程序。系統(tǒng)的測試包括功能測評、技術(shù)指標(biāo)的測量、系統(tǒng)的優(yōu)化等工作。程序固化后，系統(tǒng)運(yùn)行，投入正常的 工作中，開發(fā)工作完成。 單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（ CPU），隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），只讀程序存儲器（ ROM），輸入輸出電路（ I/O 口），可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口（ SCI），顯示驅(qū)動電路（ LCD 或 LED 驅(qū)動電路），脈寬調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個最小然而很完善的計算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可 以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。 單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4 位、 8 位、 16 位及 32 位單片機(jī)。 8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個領(lǐng)域。 8 位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭， 32 位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足發(fā)展。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成 單片機(jī)本身是綜合了 CPU、儲存器、 I/O 接口，定時器 /計數(shù)器等計算機(jī)基本組成的半導(dǎo)體芯片，而且程序可以固化在單片機(jī)芯片中，因此對于一般的應(yīng)用，只需要單片機(jī)加上少量的器件就可以構(gòu)成一個控制系統(tǒng)的硬件部分，開發(fā)出相應(yīng)的支持程序就可以容易地完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。目前，單片機(jī)的發(fā)展方向就是把各種功能模塊盡可能地集成，以單片機(jī)系統(tǒng)為目標(biāo)。但是，對于目前應(yīng)用比較廣北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 泛的 8 位單片機(jī)來說，由于其應(yīng)用方便，成本低廉，可靠性高，體積小，而且 I/O的擴(kuò)展也比較容易，所以在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中， 8 位單片機(jī)仍然得到廣泛應(yīng)用。 典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 除主機(jī)外，還包括有： （ 1） 前向通道 (即輸入部分 )： 數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量信號 (A/D)的輸入。 （ 2）后向通道 (輸出部分 )： 數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量信號 (D/A )的輸出。 （ 3）人機(jī)對話通道，即人機(jī)交互部分： 鍵盤、顯示器、打印機(jī)、看門狗 (監(jiān)視 )電路等。 圖 21 所示為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成。 圖 21 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的特點(diǎn)： ? 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一般規(guī)模比較小。設(shè)計開發(fā)過程要借助專用的開發(fā)器、仿真器或開發(fā)系統(tǒng)來進(jìn)行。 ? 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè) 計中要綜合考慮硬件、軟件的組成，以達(dá)到較高性能價格比?？梢圆捎密浖袒瘜?shí)現(xiàn)部分硬件功能，也可以采用硬件來實(shí)現(xiàn)某些軟件的功能。 ? 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要求可靠性高，特別是工作于無人值守、不間斷工作的環(huán)境中，必須保證安全可靠。要從電路設(shè)計、軟件程序等加以考慮?？撮T狗監(jiān)視電路就是其中一種。 ? 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要盡量作到低功耗、小體積。軟件程序固化在單片機(jī)內(nèi)的程序存儲器中。要在專門的編程器或下載設(shè)備中完成。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計 1) 根據(jù)市場需求 , 進(jìn)行分析 , 提出本項(xiàng)目的任務(wù)。 2) 熟悉和了解控制對 象，確定合理可行的技術(shù)指標(biāo)。 3) 確定系統(tǒng)功能具體實(shí)現(xiàn)形式 , 選擇出適合該項(xiàng)目，能迅速開發(fā)出性能價格比高的應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)。 4) 合理地劃分硬件和軟件兩部分的功能要求。 5) 確定總體方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。按照軟件工程的思想，列出各子系統(tǒng)的任