【導(dǎo)讀】近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹?lái)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。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、儀表同計(jì)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(guò)了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類(lèi)，一類(lèi)以?xún)x表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和顯示。我國(guó)的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來(lái)，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TDE-324C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿(mǎn)足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。

　　

【正文】 所示。電源電壓典型值為SV。 AINO～AIN3：模擬信號(hào)輸入端。 AO～A3：引腳地址端。 VDD、Vss:電源端。(～6V) SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線。 OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。 EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)EXT接地。 AGND:模擬信號(hào)地。 AOUT: D/A轉(zhuǎn)換輸出端。 VREF:基準(zhǔn)電源端。 PCF8591的引腳圖 PCF8591與STC89C52單片機(jī)的接口方式，： PCF8591與單片機(jī)的連接圖 PCF8591采用典型的I2C總線接口器件尋址方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位組成。飛利蒲公司規(guī)定A/D器件地址為1001。引腳地址為A2 A1 A0，其值由用戶(hù)選擇，因此I2C系統(tǒng)中最多可接8個(gè)具有I2C總線接口的A/D器件。地址的最后一位為方向位R/w，當(dāng)主控器對(duì)A/D器件進(jìn)行讀操作時(shí)為1，進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)為0?？偩€操作時(shí)，由器件地址、引腳地址和方向位組成的從地址為主控器發(fā)送的第一字節(jié)。控制字節(jié)： 控制字節(jié)用于實(shí)現(xiàn)器件的各種功能，如模擬信號(hào)由哪幾個(gè)通道輸入等?？刂谱止?jié)存放在控制寄存器中。總線操作時(shí)為主控器發(fā)送的第二字節(jié)。其格式如下所示：MSB LSB 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 Dl DO其中：Dl、DO兩位是A/D通道編號(hào)：00通道0，01通道1，10通道2， 通道3 D2 自動(dòng)增益選擇（有效位為1）。 DD4模擬量輸入選擇：00為四路單數(shù)入、01為三路差分輸入、 10為單端與差分配合輸入、11為模擬輸出允許有效。 當(dāng)系統(tǒng)為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，模擬輸出允許為0。模擬量輸入選擇位取值由輸入方式?jīng)Q定：四路單端輸入時(shí)取00，三路差分輸入時(shí)取01，單端與差分輸入時(shí)取10，二路差分輸入時(shí)取11。最低兩位時(shí)通道編號(hào)位，當(dāng)對(duì)0通道的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)取00，當(dāng)對(duì)1通道的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)取01，當(dāng)對(duì)2通道的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)取10，當(dāng)對(duì)3通道的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)取11。在進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，首先是主控器發(fā)出起始信號(hào)，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)，被控器做出應(yīng)答后，主控器從被控器讀出第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答，主控器從被控器讀出第二個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答…一直到主控器從被控器中讀出第n個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出非應(yīng)答信號(hào)，最后主控器發(fā)出停止信號(hào)。第五章 軟件部分本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一個(gè)主程序,六個(gè)子程序部分，六個(gè)子程序部分分別為I2C通信的啟動(dòng)i2c_start(）與停止i2c_stop()操作、I2C通信的應(yīng)答 i2c_ACK()與非應(yīng)i2c_waitACK()答操作、I2C通信的數(shù)據(jù)發(fā)送i2c_sendbyte()與接收i2c_recbyte()操作、I2C通信的讀數(shù)據(jù)i2c_readbyte()操作、采用UART發(fā)送數(shù)據(jù)UART_Send_Byte()到PC機(jī)界面操作、數(shù)碼管數(shù)據(jù)的顯示與刷新refresh()操作。（1）主程序主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，先讀取I2C通信中的讀數(shù)據(jù)函數(shù)的數(shù)據(jù)，通過(guò)UART發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)界面，同時(shí)將所讀的十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)據(jù)顯示在四位數(shù)碼管上。 開(kāi)始I2C通信的讀數(shù)據(jù)UART發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)界面顯示將所讀十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)LED顯示 （2）I2C通信的啟動(dòng)i2c_start(）與停止i2c_stop()操作 該子程序部分SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有SCL信號(hào)為低電平期間，SDA狀態(tài)才允許變化。如圖所示：（3）I2C通信的應(yīng)答 i2c_ACK()與非應(yīng)i2c_waitACK()答操作 該子程序部分在主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，接收機(jī)需要回復(fù)一個(gè)應(yīng)答位“0”，通過(guò)應(yīng)答位來(lái)判斷從機(jī)是否接收成功。主機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)，接收一個(gè)字節(jié)結(jié)束后，主機(jī)也需要發(fā)送一應(yīng)答位“0”，但是當(dāng)接收最后一個(gè)字節(jié)結(jié)束后，則需發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答位“1”，發(fā)完了1后，再發(fā)一個(gè)停止信號(hào)，最終結(jié)束通信。（4）I2C通信的數(shù)據(jù)發(fā)送i2c_sendbyte()與接收i2c_recbyte()操作I2C總線是數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。該子程序部分是通過(guò)改變SDA和SCL的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)控制24C01從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收。SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有SCL信號(hào)為低電平期間，SDA狀態(tài)才允許變化。如圖所示：（5） I2C通信的讀數(shù)據(jù)i2c_readbyte()操作 首先I2C起始信號(hào)，然后發(fā)送首字節(jié)，即器件（EEPROM)地址。并且在讀寫(xiě)方向位上選擇“寫(xiě)操作”方向。 第二個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，就是要讀取的數(shù)據(jù)所存儲(chǔ)在EEPROM中的位置。 第三個(gè)字節(jié)，重新發(fā)送I2C起始信號(hào)和器件地址，并且在方向位上選擇“讀操作”方向。 在前三個(gè)字節(jié)操作過(guò)程，都要等待器件給與回應(yīng)一個(gè)“應(yīng)答位0” 第四個(gè)字節(jié)，接收從器件發(fā)回的首字節(jié)后，單片機(jī)要主動(dòng)返回一個(gè)“(非)應(yīng)答位0”……特別注意： 接收器件返回?cái)?shù)據(jù)的中間字節(jié)，主機(jī)主動(dòng)返回“應(yīng)答位0”，但最后一個(gè)字節(jié)，主機(jī)要返回一個(gè)“非應(yīng)答位1”，以此通知從機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束，發(fā)送停位。開(kāi)始主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)發(fā)送字節(jié)接收未成功接收成功應(yīng)答位0主機(jī)接收完最后一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送非應(yīng)答位1 停止通信 I2C通信的應(yīng)答 i2c_ACK()與非應(yīng)i2c_waitACK()答操作(6) 采用UART發(fā)送數(shù)據(jù)UART_Send_Byte()到PC機(jī)界面操作 UART是單片機(jī)與PC之間的最簡(jiǎn)單的通信方式之一，也是單片機(jī)之間常用通信。本設(shè)計(jì)中先通過(guò)I2C通信將數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)在EEPROM中，然后通過(guò)USB—UART轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)所做好的界面上，并進(jìn)行與LED電壓數(shù)值的同步顯示。開(kāi)始 UART 初始化 UART發(fā)送數(shù)據(jù)到PC界面PC界面顯示 UART發(fā)送數(shù)據(jù)UART_Send_Byte()到PC機(jī)界面操作（7） 數(shù)碼管數(shù)據(jù)的顯示與刷新refresh()操作 在本設(shè)計(jì)中用了四個(gè)數(shù)碼管將電壓數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，數(shù)碼管所顯示的數(shù)據(jù)是將I2C通信發(fā)送過(guò)來(lái)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。由于本設(shè)計(jì)我們所測(cè)外部模擬電壓范圍為05V，0V對(duì)應(yīng)為0,5V就對(duì)應(yīng)255，外部所測(cè)電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換AD變化為數(shù)字量0255，數(shù)碼管也就顯示此值十進(jìn)制轉(zhuǎn)化值（（AD/255）*5）。：開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)刷新 數(shù)碼管數(shù)據(jù)的顯示與刷新refresh()操作 PC機(jī)顯示界面程序設(shè)計(jì)PC機(jī)顯示界面程序設(shè)計(jì)實(shí)際上就是 窗體類(lèi)（partial class Form1: Form）其中包括了三個(gè)小部分：初始化部分Form1_Load()，數(shù)據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化部分translate()，顯示按鈕部分 button1_Click()。（1） 初始化部分Form1_Load() 初始化部分Form1_Load()是對(duì)窗口端口的配置，設(shè)置端口為COM4口，波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。（2） 數(shù)據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化部分translate() 數(shù)據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化部分translate()是將單片機(jī)串口所傳送的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化為基于電壓值的十進(jìn)制的數(shù)值（AD/255 *5 ）。從而顯示精確到小數(shù)后三位的較為精確電壓數(shù)值（3） 顯示按鈕部分 button1_Click() 顯示按鈕部分 button1_Click()是每按一下顯示按鈕都會(huì)執(zhí)行顯示操作，從而顯示界面顯示精確采集電壓數(shù)值。： PC機(jī)顯示界面 調(diào)試結(jié)果本設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的內(nèi)容，用KeilUvision3 軟件將代碼進(jìn)行編譯產(chǎn)生一個(gè) 文件， 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件將程序下載到主芯片STC89C52中，此時(shí)單片機(jī)板子上的四個(gè)數(shù)碼管就會(huì)顯示所采集電壓的數(shù)值， 選好COM口后就會(huì)顯示電壓數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制顯示。同時(shí)打開(kāi)Microsoft Visual Studio 2005 軟件，用C語(yǔ)言編寫(xiě)的PC機(jī)顯示界面，進(jìn)行編譯后所顯示的電壓數(shù)值與LED數(shù)碼管所顯示的數(shù)值同步。第六章 總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是將我在大學(xué)中所學(xué)的理論和實(shí)踐相結(jié)合的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對(duì)我所學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合的訓(xùn)練及考核，是對(duì)我所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力和大學(xué)所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐技能相結(jié)合的全面的考核，對(duì)我如何根據(jù)課題對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行理解和運(yùn)用的能力的考核。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多，不管在硬件上還是在軟件上都受益匪淺，同時(shí)也感覺(jué)到了在設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)出的不足，對(duì)以前所學(xué)到的知識(shí)沒(méi)有深刻的理解和應(yīng)用，需要自己對(duì)以前所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深化，對(duì)新知識(shí)不斷學(xué)習(xí)。 設(shè)計(jì)結(jié)論：此次設(shè)計(jì)的單片機(jī)可以方便的進(jìn)行8路模擬量的轉(zhuǎn)化及電壓數(shù)據(jù)的采集和顯示，所顯示的電壓數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，精確度較高，基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)要求，滿(mǎn)足一定實(shí)際應(yīng)用中的需要，為擴(kuò)展應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。 困難與不足：首先，自己不會(huì)使用Protel99se畫(huà)圖，自己通過(guò)查看相關(guān)書(shū)籍、網(wǎng)上資料和視頻學(xué)習(xí)資料后，對(duì)本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)進(jìn)行畫(huà)圖，但由于Protel99se元件庫(kù)中元件與本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)中的元件不相符，所以在畫(huà)出相關(guān)的原理圖元件庫(kù)中的元件和PCB圖元件庫(kù)中的元件后，最終畫(huà)出了本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)的原理圖和PCB圖。其次，本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)中所用到的元件大部分都未接觸，需要每個(gè)元件都非常熟悉才能將單片機(jī)電路設(shè)計(jì)正確。最后，在程序編程時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)芯片上的端口錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致編譯不通過(guò)或數(shù)碼管或LED數(shù)碼管無(wú)法顯示。 指標(biāo)和性能的完善：可以擴(kuò)大電壓的量程范圍，可以通過(guò)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)；可以編寫(xiě)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后與所計(jì)算值進(jìn)行比較，進(jìn)而查看采集數(shù)據(jù)的精確度。參考文獻(xiàn)[1] ，2010，65105[2] ，2009[3] ，2009，[4] 常鐵原，王欣，陳文軍. ，2008，[5] 葉紅海，[6] ，2009，4648，104110[7] 楊居義，楊曉琴，2009，135141[8] 劉剛，秦永左，2006，7698，134155[9] 林祝亮，武林，2006，[10] 元增民，2006，205266[11] 王琳，商周，2004，[12] V. Schmidt, Control, data acquisition, and remote participation for fusion research, Fusion Eng. Des. 81 (2006) 1702–1712. [13] , FiresignalData acquisition and control system and Design 82(2007)13591364.致謝在論文完成之際，我要特別感劉玉紅老師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到了劉玉紅老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)與幫助。劉老師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都做出了合理的安排，在畢業(yè)設(shè)計(jì)初期，劉老師提供了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換部分資料，讓我對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目有所認(rèn)識(shí)，讓我對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)有了整體把握。在跟他一次次的探討中，我深深感覺(jué)到劉老師淵博的知識(shí)，廣闊的胸襟，還有處處為人著想的作風(fēng)。所以在每一次的交流中我總能獲得較大的突破，而且老師特別平易近人，大家對(duì)他評(píng)價(jià)都很高。畢業(yè)設(shè)計(jì)一路走下來(lái)，遇到很多難題，比起有些同學(xué)感覺(jué)自己很幸福，因?yàn)榭偰軓睦蠋熌抢镎业浇鉀Q的辦法，劉老師是那種誨人不倦的老師，直到現(xiàn)在，論文完成，劉老師還是在關(guān)注著我們的進(jìn)步。衷心感謝劉老師的無(wú)私幫助，衷心祝愿他工作順利，培養(yǎng)更多有識(shí)之才。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，也得到不少同學(xué)的幫助，尤其是華永攀和丁肖同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中給了我很大的幫助，在此一并致以誠(chéng)摯謝意。感謝劉永軍老師和孫素靜老師，他們?cè)谠O(shè)計(jì)評(píng)審的過(guò)程中也提了不少的要求和建議。最后，感謝石家莊鐵道大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院對(duì)我的教育和栽培，謝謝！附錄A英文原文A MICROCONTROLLER BASED DATA ACQUISITION SYSTEM WITH USB INTERFACE M. Popa’, IEEE Member, M. Marcu2, A. S. Popa3 Computer and Software Engineering Department,Faculty of Automation and Computers, University Politehnica Timisoara,ROMANIA Email: mpopa@ , mmarcu @ Department of Mechatronics, Faculty of Mechanics, University Politehnica Timisoar