【文章內(nèi)容簡介】 并將數(shù)據(jù)在 PC 機(jī)上顯示及存儲。并給出了該系統(tǒng)硬件、軟件實現(xiàn)的方法及分析。 第 2 章 單片機(jī)的多通道采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集電路通過傳感器將測量值采集、量化之后，通過計算機(jī)接口傳入計算機(jī)中利用軟件來完成對大量測量數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展將受到測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等因素的影響，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心元件是單片機(jī)，關(guān)鍵的技術(shù)是數(shù)據(jù)采集及計算機(jī)通信技術(shù) [3]。 單片機(jī)技術(shù)在信號采集系統(tǒng)中，單片機(jī)主要擔(dān)當(dāng)控制 ADC，并對采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的角色，同時若上位機(jī)反饋信息、指令，單片機(jī)收到指令后還需對外圍設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的控制。單片機(jī)己廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機(jī)器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡單，故障率低，可靠性高，成本低廉。下面介紹幾種常見單片機(jī)的特點： MCS51 單片機(jī)MCS51 系列單片機(jī)開始是 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初研制出來的，但現(xiàn)在以MCS51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機(jī)己成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以此為基核，推出許多與 MCS51 有極好兼容性的 CHMOS 單片機(jī)，同時增加了一些新的功能。例如 ATMEL 公司推出的 AT89S51 單片機(jī)，PHILIS 公司系列單片機(jī)，華邦（WINBOND ） ，Silicon 公司出品的 C8051Fxxx 單片機(jī)。以現(xiàn)在常用的 AT89C51 為例:AT89C51 是一種低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4Kbytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 系列指令系統(tǒng)及引腳。它集 FLASH 程序存儲器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，片內(nèi)置通用 8 位微處理器和 FLASH 存儲單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [4]。PIC 單片機(jī)由美國 Microchip 公司推出的 PIC 單片機(jī)系列產(chǎn)品，首先采用了 RISG 結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流 LCD 驅(qū)動能力和低價位 OTP 技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢。在全球都可以看到 PIC 單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計6電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今的PIC 單片機(jī)已經(jīng)是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之一。PIC8 位單片機(jī)具有指令少、執(zhí)行速度快等優(yōu)點，其主要原因是 PIC 系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與其它單片機(jī)不同。該系列單片機(jī)引入了原用于小型計算機(jī)的雙總線和兩級指令流水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與一般采用 CLSC（復(fù)雜指令集計算機(jī)）的單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上是有不同的。PIC 的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 接口、定時器和程序寄存器等都是采用了 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而其它單片機(jī)常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。上述各項，就是 PIC系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。 AVR 單片機(jī)AVR 單片機(jī)是 ATMEL 公司 1997 年推出的精簡指令集（RISC）單片機(jī)系列。ATMEL 公司通過 AVR 把 RISC 技術(shù)帶到了 8 位單片機(jī)世界，這種全新的結(jié)構(gòu)帶來了很多優(yōu)勢。該系列的程序存貯器是在片內(nèi)的 Flash 存貯器，可以反復(fù)修改上千次、這對新產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品升級都是很方便的。單片機(jī)的指令基本上都是單個晶振周期的，能夠到 1MIPS/MHz 的性能。該系列單片機(jī)針對應(yīng)用 C 語言編程做了優(yōu)化。這一系列單片機(jī)好的多型號都是寬電壓工作的，同時有各種睡眠模式有利于降低系統(tǒng)功耗。再加上內(nèi)部的振蕩器、看門狗、上電復(fù)位、A/D 輸入， PWM 輸出等功能，它也可以稱為“零外設(shè)”的單片機(jī)，具有片上系統(tǒng)（SOC，system on chip）的雛形。因此 AVR單片機(jī)適合于很多領(lǐng)域的應(yīng)用，表現(xiàn)出卓越性能。AVR 單片機(jī)家族已經(jīng)發(fā)展成為一個很全的系列：包括 TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、DVD AVR、 RF AVR、SECURE AVR、FPGA AVR 等類別。Tiny AVR 系列的典型芯片如Tiny1Tiny1Tiny13 等等，這一類型的單片機(jī)的特點是很好的把價格、性能和靈活性結(jié)合在一起，典型的應(yīng)用包括鋰電池充電器、冰箱控制和門禁系統(tǒng)等等。AVR mega 系列的典型芯片如 Atmega8，Atmegal6 等等，這一類型的單片機(jī)的特點是帶有具有自編程能力的程序存儲器，可以通過 SPI、USART、和二線制接口（IC）編程，適合于需要遠(yuǎn)程編程和現(xiàn)場升級的應(yīng)用領(lǐng)域；同時該類型單片機(jī)具有很全的外圍設(shè)備適合于多種應(yīng)用。同時還有一些增加了面向特殊應(yīng)用具有特殊功能的單片機(jī)。這些單片機(jī)都是在相同的 AVR 的基礎(chǔ)上加上了面向應(yīng)用的特殊功能，LCD AVR 加上了LCD 驅(qū)動器比如 Atmega169 能夠驅(qū)動 425 段的 LCD。USB AVR 單片機(jī)例如：AT43USB351M 集成了 USB 的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的硬件協(xié)議，同時由 AVR 核通過編程實現(xiàn)傳輸層的實現(xiàn)。DVD AVR 例如：AT78C1501 內(nèi)部通過 AVR 核實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計7據(jù)通道核緩存的控制。RF AVR 例如：AT86F401 在 AYR 核的控制下實現(xiàn)開關(guān)鍵控的無線射頻數(shù)據(jù)傳輸。SECURE AVR 例如：AT90SC19264RC 是帶有 AVR 核的實現(xiàn)IS07816 協(xié)議的用于智能卡的單片機(jī)。FPGA AVR 例如：AT94K05A 則內(nèi)部集成有FPGA。這些類型構(gòu)成了 AVR 系列單片機(jī)的龐大家族，使 AVR 在相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮獨特性能。盡管 AVR 系列單片機(jī)型號繁多，功能各異，但是所有 AVR 單片機(jī)都有相同的存儲器結(jié)構(gòu)和指令集，因此各系列 AVR 單片機(jī)之間的代碼移植是很方便的。不同系列單片機(jī)都會分別具有配置不同的 SRAM，EEPROM ，外部 SRAM 的接口，AD 轉(zhuǎn)換器，硬件乘法器，UART，USART 等等外圍設(shè)備。目前單片機(jī)的發(fā)展速度較快，單片機(jī)的型號繁多，要根據(jù)設(shè)計不同系統(tǒng)的功能要求、性能指標(biāo)及價格等選擇型號，一般來說，控制關(guān)系較簡單的小家電，可以采用RISC 型單片機(jī)：控制關(guān)系較復(fù)雜的場合，如通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)采用 CISC單片機(jī)。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用到測量、監(jiān)洲、控制、診斷、科學(xué)試驗等各個領(lǐng)域中。近二十年來，數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在形式上由原來的專用的測試儀器到現(xiàn)在的使用微機(jī)的虛擬儀器；采集的分辨率從 4 位、8 位到現(xiàn)在的 24 位分辨率；采集的速率從幾 KPS 到現(xiàn)在最高速率己達(dá) 2GPS，記錄設(shè)備從原來的手記、紙帶的模擬或數(shù)字記錄到磁帶記錄，到現(xiàn)在的硬盤記錄、磁光盤記錄。 對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用哪種技術(shù)取決于對下列因素的權(quán)衡：分辨率。由于精密元件成本高，所以隨著分辨率的提高，A/D 轉(zhuǎn)換器的價格也會急劇上升。8 位分辨率的模擬多路器的每通道價格幾乎相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器的價格。分辨率高于 12 位時，情況則相反，模擬多路切換趨于更加經(jīng)濟(jì)。通道數(shù)。通道數(shù)決定所用多路器的大小、連線數(shù)量以及內(nèi)部連接。在許多情況下，把數(shù)字多路器連到共用數(shù)據(jù)總線上，可使連線數(shù)量降到最低。模擬多路切換適用于 8256 個通道。超過這個數(shù)目，此技術(shù)就難以應(yīng)用，模擬誤差也很難減小。在大系統(tǒng)中，模擬和數(shù)字多路切換技術(shù)常結(jié)合在一起應(yīng)用 [5]。檢測速度或吞吐量。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器會使系統(tǒng)造價大幅度上升。如果模擬多路器要求高速轉(zhuǎn)換器以達(dá)到所要求的采樣速率，那么，每一通道配置一個低速轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行數(shù)字多路切換就會便宜些。信號電平及調(diào)理。對模擬多路切換而言，要使諸通道間具有寬廣的動態(tài)范圍是很困難的。低于 iv 的信號，一般要求價格昂貴的、差分低電平模擬多路切換，而且在 MUX（多路器）操作之后，還要有可編程增益放大器。另一種方法可能更有效，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計8這就是：每個通道用一個放大倍數(shù)固定的運算放大器，并針對該通道的要求設(shè)計信號調(diào)理，同時采用數(shù)字多路切換。檢測點的物理位置。鑒于模擬信號存在衰減、傳輸線反射以及干擾等問題，模擬量多路切換適合于距轉(zhuǎn)換器幾百英尺以內(nèi)的檢側(cè)。依據(jù)信號電平、傳輸距離以及環(huán)境噪聲，傳輸線可從雙絞線到多芯屏蔽電纜。如果有合適的傳輸設(shè)備，在幾千英里范圍之內(nèi)，均可進(jìn)行數(shù)字切換操作，因為數(shù)字傳輸系統(tǒng)能提供長距離傳輸所要求的功能強(qiáng)大的抑制噪音特性。 通信技術(shù)通信是信息的處理、傳輸與交換過程，也就是信息的交流。我們通常把信息的發(fā)生者稱為信源，信息的接收者稱為信宿，傳播信息的媒介稱為載體，信源和信宿之間的信息傳輸?shù)耐緩脚c設(shè)備稱為信道。通信技術(shù)是研究如何將信源產(chǎn)生的信息，通過傳輸媒介，高效、安全、迅速、準(zhǔn)確地傳送到受信者的技術(shù)。通常，根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，通信技術(shù)可分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)兩大類：根據(jù)傳輸信號類型的不同，通信技術(shù)可分為模擬通信技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)。計算機(jī)通信按接口來分可分為并行通信方式和串行通信方式。并行通信方式 并行通信傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，同時在兩個設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將這些數(shù)據(jù)位通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。接收設(shè)備可同時接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直接使用。并行方式主要用于近題離通信。計算機(jī)內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子。這種方法的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單，缺點是所需連接線多，遠(yuǎn)距離通信時成本高。串行通信方式串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?，先由具有幾位總線的計算機(jī)內(nèi)的發(fā)送設(shè)備，將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并一串轉(zhuǎn)換硬件轉(zhuǎn)換成串行方式，再逐位經(jīng)傳輸線到達(dá)接收站的設(shè)備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉(zhuǎn)換成并行方式，以供接收方使用 [6]。串行傳輸類型生要有以下幾種：（1）RS232 串行通信接口目前 RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，典型的 RS232 信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5~+I5V，負(fù)電平在5~15V 電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計9TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。接收器典型的工作電平在+3~+12V 與3~12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15m，最高速率為 20kb/s，RS232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為 3~7kΩ。所以RS232 適合本地設(shè)備之間的通信。計算機(jī)上的串行通信端口 RS232 是標(biāo)配，雖然與現(xiàn)在的一些新出的標(biāo)準(zhǔn)相比，RS232 通信數(shù)據(jù)低，傳輸距離短，但由于其控制相對簡單，設(shè)計成本低，在許多工控設(shè)備、電子測量儀器上都備有 RS232 通信端口側(cè)。一般的計算機(jī)將 COM1 以 9Pin 的接頭接出。（2）RS422 串行通信接口如果在工業(yè)環(huán)境雜訊干擾較強(qiáng)，用 RS232 作為傳輸就會容易收到干擾，使信號發(fā)生錯誤。為此常改用 RS422 傳輸方式。RS422 的信號將被傳送出去時會先分成正負(fù)的兩條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端后，再將信號相減還原回原來的信號。這樣可有效防止雜訊的干擾，傳輸距離和速度也得到提高。RS422 與 RS232 不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 A，另一線定義為 B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B 之間的正電平在+2~+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在2~6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地 C，在 RS485 中還有一“使能 ”端，而在 RS422 中這是可用可不用的。 “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)” ，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。RS422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是 “平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性” ，它定義了接口電路的特性。典型的 RS422 是四線接口。實際上還有一根信號地線，共 5 根線。其 DB9 連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比 RS232 更強(qiáng)的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接 10 個節(jié)點。即一個主設(shè)備（Master） ，其余為從設(shè)備（ Salve） ，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422 支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，最大負(fù)載能力是 104k+100Ω（終接電阻） 。RS422 四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/OFF 握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn) [7]。RS422 的最大傳輸距離為 1219m，最大傳輸速率為 l0Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100m 長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計10僅為 1Mb/s。（3）RS485