【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ............ 72 附錄 3：實(shí)習(xí)報(bào)告 ..................................................... 72 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒論 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用十分廣泛的模擬量線性測(cè)量設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步和智能化測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用前景日趨廣闊。許多新型儀器設(shè)備，實(shí)際上就是高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加上相關(guān)的輔助功能而成。例如：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加上觸發(fā)功能便構(gòu)成了瞬態(tài)波形記錄儀，數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)加上信號(hào)頻譜分析功能就成了頻譜分析儀；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，配以信號(hào)處理與分析軟件，就構(gòu)成了諸多數(shù)字式智能儀表，如：數(shù)字多用表、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、失真度分析儀，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，邏輯分析儀等。既使當(dāng)今快速發(fā)展的虛擬儀器系統(tǒng)，也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，配以相應(yīng)的軟件開發(fā)構(gòu)成的。 近 20 年來，是 PC 機(jī)領(lǐng)導(dǎo)業(yè)界潮流的時(shí)期，從局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)到全球互聯(lián)網(wǎng)，幾乎到了登峰造極的地步，現(xiàn)在是將 PC 機(jī)的成熟技術(shù)向嵌入式產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的后 PC 機(jī)時(shí)代。嵌入式產(chǎn)品性能更好，功能更完善。 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介 嵌入式系統(tǒng) （ Embedded System） 根據(jù) IEEE（ 國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì) ） 的定義為 “ Embedded System is devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plants.( ， 從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體 ， 還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝備。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)資料定義嵌入式系統(tǒng)為：嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心， 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可以剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從上面的定義可以看出，嵌入式系統(tǒng)具有以下的特征： 系統(tǒng)的內(nèi)核小。 專用性強(qiáng)。 系統(tǒng)精簡(jiǎn)。 嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。 由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其分類也可以按硬件和軟件來進(jìn)行劃分。硬 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 件按照嵌入式處理器來劃分可以分為：嵌入式微控制器（ MCU）；嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）；嵌入式微處理器（ MPU）；嵌入式片上系統(tǒng)（ SOC）。軟件按照操作系統(tǒng)來劃分，可以分為：實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。實(shí) 時(shí)系統(tǒng)又可以分為：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)涉及一系列的難題，其中有三個(gè)突出的問題： 產(chǎn)品更新?lián)Q代太快。 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。 如何滿足用戶不同層次和不斷變化的要求。 針對(duì)上述問題，國(guó)外近年來在電子工業(yè)和嵌入式行業(yè)中推行一種不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 思想的所謂“開放系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)思想。 開放系統(tǒng)是指：向未來的 VLSI 開放，即從當(dāng)前實(shí)際出發(fā)又為未來新技術(shù)留下余地；向系統(tǒng)的不同配套檔次開放，在經(jīng)營(yíng)上兼顧設(shè)計(jì)周期和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并著眼于社會(huì)的公共參與，為發(fā)揮各個(gè)方面廠商的積極性和用戶的專用要 求。 推行開放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想主要是向未來的 VLSI 開放；向不同的用戶層次開放；向用戶的特殊要求開放。 開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法是：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者主要精力用于分析設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定總體結(jié)構(gòu)，選擇系統(tǒng)配件，而不是部件模塊設(shè)計(jì)，以及專用軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。 開放式體系結(jié)構(gòu)和總線系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)采用組合化設(shè)計(jì)方法的流行。即針對(duì)不同的應(yīng)用系統(tǒng)要求，選用成熟的現(xiàn)代硬件模板和軟件進(jìn)行組合。組合化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是模塊化。硬件軟件產(chǎn)品的模塊化是實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵。它的優(yōu)點(diǎn)是： 將系統(tǒng)劃分為若干硬、軟件功能模塊，由專門的 研究機(jī)構(gòu)根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)盡可能設(shè)計(jì)完善，并定制其規(guī)格系列，選用這些現(xiàn)成的功能模塊可以迅速配套成各種應(yīng)用系統(tǒng)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并縮短設(shè)計(jì)周期。 結(jié)構(gòu)靈活便于擴(kuò)展和更新，使得系統(tǒng)的適應(yīng)性增強(qiáng)，在使用中可根據(jù)需要，通過更換一些模塊或進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)改裝以滿足不斷變化的特殊要求。 維修方便快捷。模板大量采用 LSI 和 VLSI 芯片，在故障出現(xiàn)時(shí)，只需更換IC 芯片或功能模塊便可修復(fù)，停機(jī)修復(fù)的時(shí)間可以降低到最低限度。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 功能模塊可以進(jìn)行組織批量生產(chǎn)，使質(zhì)量穩(wěn)定，并降低成本。 組合化設(shè)計(jì)方法中應(yīng)強(qiáng)調(diào)層次化問題。通常分為三種： 基礎(chǔ)層：這 一層指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者組合應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)可以選用的硬件模塊和有關(guān)軟件。最終系統(tǒng)的先進(jìn)性應(yīng)從基礎(chǔ)層入手。 系統(tǒng)層：這一層應(yīng)考慮被選用的硬件和軟件是否兼容，是否完整，即是否能構(gòu)成完善的系統(tǒng)。質(zhì)量認(rèn)證和系統(tǒng)的可靠性應(yīng)重點(diǎn)考慮。 應(yīng)用層：這一層解決測(cè)量系統(tǒng)與工業(yè)對(duì)象接口關(guān)系，如何與工業(yè)對(duì)象的工藝相結(jié)合等問題，重點(diǎn)是應(yīng)用軟件問題。 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖 11： 傳感器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行緩沖放大、抗混迭濾波，整形后送入 MPU 內(nèi)置式的 A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào) 進(jìn)行保持、量化、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在控制信號(hào)控制下，或者直接送去顯示和打印，或者送入 FIFO 存儲(chǔ)， USB 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從 FIFO 存儲(chǔ)器中讀出后，送入 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向 基于 GPRS 的 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 根據(jù) GPRS 通信技術(shù)在中低速率數(shù)據(jù)傳輸方面的突出優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)具有一定的高可行性和高性價(jià)比?？捎糜诠I(yè)控制、金融、交通等行業(yè)，具有很廣闊的發(fā)展前景。 圖 11 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁 GPRS（ General Packet Radio Service） 是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)建立在 GSM 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，被 稱為 代移動(dòng)通信技術(shù)，它將無線通信與 Inter 緊密結(jié)合。 GPRS 作為一種高速、高效、經(jīng)濟(jì)的無線系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬、適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)價(jià)按數(shù)據(jù)流量計(jì)算、實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。隨著 GPRS 技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展 ,已能夠?qū)嶋H應(yīng)用到許多需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，也為數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸通訊方式 。 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并 作出相應(yīng)的分析和處理。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （ 1）自治性：每一個(gè) DA（ Data Detection） holon 能夠監(jiān)控自己計(jì)劃和任務(wù)的執(zhí)行。同時(shí)對(duì)自己的錯(cuò)誤或故障采取行動(dòng)。 （ 2）協(xié)作性： DA Holon 能夠相互之間協(xié)作，以完成共同的計(jì)劃和任務(wù)。同時(shí)對(duì)錯(cuò)誤或故障采取相互行動(dòng)。 （ 3）開放性： HAD（ Holonic Data Detection） 系統(tǒng)可以允許其它新的 DA holon的加入，原有 DA holon 的移除或功能上的更新對(duì)整個(gè) HAD 不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)只需要很少的人工參與。而這些 DA holon 可以來自于不同的供應(yīng)商，具有不同的功能。 本論文研究的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 本文主要包含兩大部分的內(nèi)容：第一部分，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及其附屬部件設(shè)計(jì)。包括 LCD 顯示，按鍵處理，聲光報(bào)警及外驅(qū)動(dòng)電路；第二部分， MCU 與上位機(jī)組態(tài)軟件的異步串口通信設(shè)計(jì)。這個(gè)部分的工作主要是根據(jù)組態(tài)王與單片機(jī)的通用通信協(xié)議（ HEX）開發(fā)單片機(jī)程序，以實(shí)現(xiàn)在組態(tài)王中對(duì)下位機(jī)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需要的處理。譬如：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、趨勢(shì)曲線的繪制、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等。 針對(duì)以上所述，本文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論。簡(jiǎn)要 介紹文章研究的相關(guān)內(nèi)容在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，以及本文所研究的主要內(nèi)容。 第二章：介紹系統(tǒng)的功能及工作原理，對(duì)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 適合本測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的相關(guān)軟件、硬件平臺(tái)。 第三章：將整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊，并詳細(xì)介紹各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。 第四章：在搭建好的硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā)，編寫各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)單片機(jī)通用通信協(xié)議 HEX 編寫串口通信程序。 第五章：總結(jié)了該系統(tǒng)的研發(fā)工作，并對(duì)以后的工作提出了建議。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁 第 2 章 基于 MSP430 的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)建 系統(tǒng)功能分析 該系統(tǒng)主要是一個(gè)主要用于結(jié)合溫度、壓力、液位、流量等模擬量輸出類型的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具有一定的通用性，除了以上所列的幾個(gè)傳感器類型，其實(shí)對(duì)于兩線制，輸出為電壓或者電流類型的傳感器，都可利用本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)如果需要，用戶可以設(shè)定所監(jiān)測(cè)量的上限和下限，在對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；具有外部驅(qū)動(dòng)電路，在必要的時(shí)候，可以根據(jù)檢測(cè)值驅(qū)動(dòng)外部大功率器件運(yùn)作 （如直流電機(jī)）；也可以通過 RS232與 PC機(jī)進(jìn)行異步串口通信，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)組態(tài)軟件的交互，在“組態(tài)王 ”中進(jìn)行更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理（如：實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表、趨勢(shì)圖繪制等）。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示： 根據(jù)以上分析，我們得出基于 MSP430 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要需要完成的功能有： （ 1）、借助于溫度、壓力、液位等傳感器及 MSP430 自身集成的 ADC12 模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集； 圖 21 基于 MSP430 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 （ 2）、采集數(shù)據(jù)以及其它量的點(diǎn)陣 LCD 顯示： ① 檢測(cè)值。無查詢時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)顯示各 監(jiān)測(cè)通道的采集值，用戶需要快速查時(shí)，可以通過指定按鍵快速查詢。 ② 設(shè)置門限值。如用戶需要，可以設(shè)定某個(gè)量所需保持的上限以及下限。該設(shè)置過程通過按鍵及 LCD 顯示共同模塊實(shí)現(xiàn)。 ③ 實(shí)時(shí)時(shí)鐘。用戶可以通過指定按鍵查詢當(dāng)前時(shí)間。包括年、月、日、星期及時(shí)間。 （ 3）、超限報(bào)警。如果用戶對(duì)某個(gè)檢測(cè)量進(jìn)行了限位設(shè)定，并且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)際值超限，系統(tǒng)即發(fā)出聲光報(bào)警：蜂鳴器蜂鳴，同時(shí)處于超限通道的 LED 燈閃爍，使用戶可以快速找到發(fā)生超限的通道； （ 4）、外負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。主要是指，根據(jù)所檢測(cè)到的傳感器信號(hào)通過放大和隔離電路驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)； （ 5）、和上位機(jī)的異步串口通信功能。上位機(jī)軟件系統(tǒng)基于“組態(tài)王 ”平臺(tái)，根據(jù)單片機(jī)通用通信協(xié)議（ HEX）開發(fā)通信程序。組態(tài)王接收到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) MCU 傳回的數(shù)據(jù)之可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)表顯示、歷史報(bào)表顯示、進(jìn)行趨勢(shì)圖的繪制等。 系統(tǒng)的硬件原理框圖 本系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖 22 所示： 硬件系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)模塊： 圖 22 基于 MSP430 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 模塊 I： A/D 轉(zhuǎn) 換模塊 模塊 II：點(diǎn)陣 LCD 顯示模塊 模塊 III：按鍵處理模塊 模塊 IV： USART 異步串行通信模塊 模塊 V： 外圍驅(qū)動(dòng)電路模塊 系統(tǒng)的工作過程 本數(shù)據(jù)采集模塊初始設(shè)置有 8 個(gè)模擬量采集通道。通道 1 和 2 位溫度數(shù)據(jù)采集；通道 3 和 4 為壓力數(shù)據(jù)采集；通道 5 和 6 為液位數(shù)據(jù)采集；通道 7 和 8 為流量數(shù)據(jù)采集。所用傳感器既可以是電壓輸出，也可以是電流輸出，只需在采集模塊上以指定方法稍作改動(dòng)即可。傳感器連接完畢之后，給模塊上電。系統(tǒng)的供電模式可以有兩種，第一種為外部電源供電，第二種為自帶電池供電。系統(tǒng)供電之后，即進(jìn)入基本工作狀態(tài)。開始各個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集工作。在無人干預(yù)的情況下， LCD 循環(huán)輸出各個(gè)采集通道所采集到的數(shù)據(jù)值。 如果用戶需要其它要求，可附加其它設(shè)置。主要包括三個(gè)方面： 監(jiān)測(cè)量的門限要求。即如果用戶需要控制某個(gè)量的檢測(cè)值在一定的范圍之內(nèi)，超出這個(gè)范圍需要系統(tǒng)報(bào)警告知用戶。這時(shí)，用戶可以按下功能鍵，選