【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)某一檢測(cè)點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨 機(jī)查詢，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 多路數(shù)據(jù)采集勢(shì)必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢(shì)，這方面的研究就顯得十分 重妻。 本文的主要工作 本文的具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。 (1)硬件部分 硬件部分分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。整體硬件框圖如圖 1， 6所示。 圖 整體硬件框圖 數(shù)據(jù)采集部分采用多路開關(guān)方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)有 8個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集通道和一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)采集通道，滿足了生產(chǎn)中多通道的要求?？梢詫?duì)常見的模擬信號(hào)量，如溫度、壓力、 流量、速度、頻率等進(jìn)行采集。每一種信號(hào)量都可以使用不同的傳感器。擴(kuò)大了數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有較強(qiáng)的通用性。 數(shù)據(jù)處理部分采用 AT89S52做為核心控制器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用 8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC0838，該芯片占用單片機(jī)的引腳資源少，僅占有單片機(jī) 5個(gè)引腳即可完成 8個(gè) 通道的數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低 了成本。顯示驅(qū)動(dòng)芯片 HD7279A 傳感器 電路 8 通道 A/D 單 片 機(jī) 數(shù)字信號(hào) 采集電路 LED 顯示 通信芯片 上 位 機(jī) 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 采用串行接 口和單片機(jī)連接，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8位共陰式數(shù)碼管。該芯片無需外圍元件便可直接驅(qū)動(dòng) LED，一片芯片即可完成 LED顯示的全部功能，各位可獨(dú)立控制譯碼 /不譯碼、消隱和閃爍等屬性 。具有段尋址指令，可方便地用來控制獨(dú)立的 LED顯示管。本系統(tǒng)采用不譯碼的方式對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。 RS485通信芯片MAX3O82把采集系統(tǒng)所采集 的數(shù)據(jù)由 TTL電平轉(zhuǎn)化為 RS485電平，由 RS485通信總線上傳至上位機(jī)，由上位機(jī) 進(jìn)行顯示、保存及打印。 (2)軟件部分 軟件部分分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控 制軟件和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件使用 Visual 。在功能上，滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本要求，如通信串口的選擇，數(shù)據(jù)的采集、保存、查詢和打印等。界面簡(jiǎn)單，操作 容易。 數(shù)據(jù)處理程序采用匯編語(yǔ)言編寫，由判別通道、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通 信四個(gè)部分組成。 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制器件。單片機(jī)具有體積小、功耗小、成本低、可靠性高、靈活方便、價(jià)格廉以及控制功 能強(qiáng)等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。 利用單片機(jī)的硬件、軟件資源，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的智能化控制和管理。 基本組成 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制器件 。結(jié)合外圍電路所構(gòu)成?；?本組成如圖 。 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 采集系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、 A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、輸入 /輸出接口電路等。由單 片機(jī)做為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個(gè)步驟，熬據(jù)采集是將被測(cè) 量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被單片機(jī)所識(shí)別的信號(hào)并輸入給單片機(jī) 。數(shù)據(jù)處理 是由單片機(jī)執(zhí)行以測(cè)試為目的的算法程序后，得到與被測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值或形成相應(yīng)的決策與判斷；數(shù)據(jù)輸出是將處理結(jié)果送給輸出設(shè)備，進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存等操作。 采集方式 一個(gè)具體的采集系統(tǒng)的構(gòu)成，根據(jù)所測(cè)信號(hào)的特性而定。力求做到既能滿足系統(tǒng)的 性能要求又能在性能價(jià)格比上達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)這個(gè)要求，采集系統(tǒng)可分為以下幾種采集 方式。 （ 1）單通道數(shù)據(jù)采集 單通道數(shù)據(jù)采集是：被采集的模擬信號(hào)只有一個(gè)，如圖 。 傳感器（ S） S/H 采樣保持 A/D 模 /數(shù) I/O 主 機(jī) 模擬信號(hào) 輸入通道 單片機(jī) 輸出通道 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 圖 單通道數(shù)據(jù)采集框圖 （ 2）多通道數(shù) 據(jù)采集 多通道數(shù)據(jù)采集是：被采集的模擬信號(hào)有兩個(gè)或兩個(gè)以上。多路模擬信號(hào)的采集有 以下幾種結(jié)構(gòu)形式。 ①多路 A/D轉(zhuǎn)換方式 這種結(jié)構(gòu)由多個(gè) A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。對(duì)每路輸入信號(hào)都有獨(dú)立的采樣保持電路 S/H、 A/D轉(zhuǎn)換電路及 I/O接口電路，每一路占有一個(gè)通道。結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 圖 多路 A/D轉(zhuǎn)換方式框圖 這種方式通常用于高速數(shù)據(jù)采集和需要同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)的情況。其優(yōu)點(diǎn)是通道數(shù) 增加時(shí)，最高采樣頻率不會(huì)受到影響，并可同時(shí)采集多路 信號(hào)，保持了各信號(hào)之間的同 步關(guān)系。缺點(diǎn)是成本較高、體積較大。 ②多路共享 A/D轉(zhuǎn)換方式 信號(hào)進(jìn)入各路采樣保持電路， 然后由多路開關(guān)可選擇地將各路信號(hào)送入 A/D 轉(zhuǎn) 換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 這種轉(zhuǎn)換方式較上一種方式慢，并且得到的各通道信號(hào)是斷續(xù)的。在通道數(shù)增加時(shí)，采集頻率受到影響。當(dāng)采樣保持電路用同一個(gè)信號(hào)控制時(shí)，既可保證同一時(shí)刻采集到各 通道參數(shù)，又可保證信號(hào)間的同步關(guān)系。這種方式主要用于對(duì)采集頻率要求不高的多路信號(hào)的采集。 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 采樣 / 保持（ S/H） 采樣 / 保持（ S/H） 采樣 / 保持（ S/H） 模 /數(shù) A/D 模 /數(shù) A/D 模 /數(shù) A/D I/O I/O I/O 主 機(jī) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 多路共享 A/D轉(zhuǎn)換方式框圖 ③多路開關(guān)方式 這種方式輪流循環(huán)采樣的轉(zhuǎn)換速度比以上兩種方式都慢，但是節(jié)省硬件。結(jié)構(gòu)框圖 如圖 。 圖 多路開關(guān)方式框圖 它常用于采集多路變化緩慢的信號(hào)，如溫度變化、應(yīng)變信號(hào)等。用這種方式采集多通道信號(hào)時(shí)，不能同時(shí)采集同一時(shí)刻的各種參數(shù)。 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 采樣 /保持（ S/H） 采樣 /保持（ S/H） 采樣 /保持（ S/H） 模 /數(shù) A/D I/O 主 機(jī) 模 擬 多 路 開 關(guān) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 傳感器 （ S） 模 /數(shù) A/D I/O 主 機(jī) 模 擬 多 路 開 關(guān) 采樣 /保持（ S/H） 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 總框圖 信號(hào)調(diào)理模塊的功能 對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和 控制系統(tǒng)來說，信號(hào)調(diào)理是非常重要的。典型的系統(tǒng)一般都需要信號(hào)調(diào)理硬件，用于將原始信號(hào)以及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集板或模塊上。通過信號(hào)調(diào)理的各種功能，如信號(hào)的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換以及直接變送器調(diào)理等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。具體來說，信號(hào)調(diào)理模塊主要具有以下幾點(diǎn)功能： 1. 傳感器驅(qū)動(dòng)：包括為無源傳感器提供所需的電壓源或電流源，為有源傳感器提供其運(yùn)轉(zhuǎn)所需的特殊電路結(jié)構(gòu)。下表列出了幾種不同類型傳感器對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊的要求：傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、熱電偶、模擬低壓輸入、模擬高壓 輸入，輸出、熱敏電阻、模擬輸入、加速計(jì)、頻率至電壓轉(zhuǎn)換、 LVDT, RVDT、電阻，多路復(fù)用器，矩陣變換電路應(yīng)變片電阻，模擬電壓輸出，模擬電流輸出 2. 信號(hào)放大：為了提高模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)的精度，我們希望輸入的模擬信號(hào)的最大值剛好等于 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入范圍。大多數(shù)傳感器的輸出范圍在 mV 級(jí)，而 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入范圍為 Volt 級(jí)。因此我們需要使用信號(hào)調(diào)理鍵盤 輸入電 路 CPU 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 LED 顯示發(fā)光二極管顯示電路 蜂鳴器電路 溫度傳感器 各種輸出控 制模塊 電壓傳感器 頻率采集 電路 電流傳感器 濕度傳感器 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 模塊對(duì)傳感器的信號(hào)放大。 3. 隔離在測(cè)量高電壓信號(hào)時(shí)，隔離電路可以保護(hù)你的后端設(shè)備被意外的高電壓輸入損壞。常用的有光隔離和磁隔離。隔離放大電路的缺 點(diǎn)是有可能引入噪聲。 4. 信號(hào)濾波：模擬信號(hào)在數(shù)字化前必須進(jìn)行低通濾波，以消除噪聲和防止混疊現(xiàn)象。同時(shí)也可以使用信號(hào)調(diào)理模塊濾除 5060Hz 的工頻噪聲。 5. 擴(kuò)展通道數(shù)：有些信號(hào)調(diào)理模塊具有多路轉(zhuǎn)換器或矩陣變換電路的功能，可以把通道信號(hào)通道擴(kuò)展至上千路。 6. 其他功能：信號(hào)調(diào)理模塊還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減、采樣同步、頻率 電壓的轉(zhuǎn)換等功能。 油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 各硬件的功能說明 智能電器監(jiān)控單元的輸入模塊 系統(tǒng)是以 STC89 系列的 STC89C58RD+微控制器 ，外圍電路主要由電壓采集電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路及鍵盤電路等幾部分組成的， A/D 轉(zhuǎn)換芯片采用 10 位 ADCTLC1549。顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用MC14489B，它可以驅(qū)動(dòng) 5 位共陰極數(shù)碼管，微控制器的 P1 口的低 5 位作為鍵盤輸入口，擴(kuò)展的 RS— 485 接口用于多機(jī)通信?？蓪?shí)現(xiàn)電壓、電流、溫度、頻率的采集。 數(shù)據(jù)處理部分以單片機(jī)為核心控制器件，通過控制軟件選擇需要采集的數(shù)據(jù)通道， 采集到的數(shù)據(jù)采用 LED數(shù)碼管在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行顯示，通過串行通信接口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示、保存和打印。數(shù)據(jù)處理部分由以下幾部分構(gòu)成 :核心控制器件 ，多通道戶 JO轉(zhuǎn)換單元，顯示單元，串行通信單元，電源單元和外圍單元。下面分別對(duì)各部分電路進(jìn)行介紹。 溫度傳感器 DS18B20 說明 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管腳排列如下 : 圖 DS18B20 DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地 ）。光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8位是前面 56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 DS18B20 中油氣田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB 形式表達(dá) ，其中 S為符號(hào)位。 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 LS Byte 32 2 12 02 12? 22? 32? 42? BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 BIT7 MS Byte S S S S S 62 52 42 表 TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT （ Hex） +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 0008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Fh ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h