【導(dǎo)讀】信號進行分析處理，之后才能利用經(jīng)過分析處理的信號對控制對象進行控制。適、最經(jīng)濟的方案。本設(shè)計試圖用一種以單片機為核心，采用串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543構(gòu)。的串口COM1或COM2，以達到一種串行數(shù)據(jù)采集、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。在各種物理量的精確測量與數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)之上的。在計算機未發(fā)明之前，人類。發(fā)展過程中功不可沒，它使人類文化與文明不斷的延續(xù)至今。數(shù)據(jù)采集方法滿足不了現(xiàn)代工業(yè)社會的需求。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的出。動數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)點就特別突出。了所謂第一代計算機檢測系統(tǒng)，到了七十年代中期，又產(chǎn)生了第二代計算機自動檢測系統(tǒng)，形成了有多臺可程控的儀表按積木方式組合成成套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。能儀表和檢測系統(tǒng)是屬于第三代計算機自動檢測系統(tǒng)。這種智能化檢測系統(tǒng)的突出特點是把。軟件編程工作具有很大的靈活性，因此可以使系統(tǒng)的功能大大增強。從而大大減輕了勞

　　

【正文】 就可以開始仿真了，單擊上圖中左下角的黑色三角形播放按鈕，此時基于 AT89C51 和TLC2543的單片機串行數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)就開始在目標程序文件的作用下進行仿真了。 圖 3 Proteus ISIS軟件中 AT89C51單片機加載 *.hex文件示意圖 運行仿真后系統(tǒng)不停的向單片機串行口循環(huán)輸出 11 個通道的轉(zhuǎn)換值，虛擬終端能夠?qū)⑦@些轉(zhuǎn)換值循環(huán)顯示出來，不僅如此，如果按暫停按鈕，則可以通過 Debug 菜單的次級菜單里面調(diào)出各個觀察窗口，比如單片機的特殊功能寄存器窗口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器觀察窗口、片外擴展的 RAM中的存儲情況觀察窗口，并且可以自己添加觀察窗口，通過 這些觀察窗口可以非常方便的查看單片機的內(nèi)部運行狀況，如查看特殊功能寄存器的值和片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)的存儲情況。運行時每個芯片的引腳旁邊都有電平高低指示，藍色為低電平，紅色為高電平，灰色為未賦值不確定狀態(tài)。 沒有微機接收顯示的系統(tǒng)仿真效果圖如下，因為圖中只在 TLC2543的 0通道接了一個模擬信號源，并且該信號源的輸入已經(jīng)被調(diào)到最高電壓狀態(tài)，即 0 通道的信號源電壓為 5V； 1通道和 2通道雖然連接在一起，但是是虛空狀態(tài)， 10通道也是這種情況； 3通道和 4通道和0通道連在一起，也是最高電壓狀態(tài)；其余的 5~9通道全部接地了。所以 仿真時， 0通道、 2通道和 4 通道有結(jié)果輸出分別是 ch0： 4094， ch3： 4094， ch4： 4094，而 1 通道、 2 通道和10通道的輸出結(jié)果是 ch1： 166， ch1： 166， ch10： 166，其余通道輸出結(jié)果都是 0，由此可以算出此時 0通道、 3通道和 4通道的輸入電壓應(yīng)該為： （ 4094/4095） 5V= 而 0通道模擬信號源接的是 +5V電壓，而 ≈5V，由此可見數(shù)據(jù)采集的目的已經(jīng)達到，并且誤差較小，在允許范 圍之內(nèi)。 圖 3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在 Proteus ISIS軟件中仿真結(jié)果 為什么 1通道、 2通道和 10通道虛空也會有結(jié)果輸出呢？這是因為 TLC2543芯片在模擬輸入端虛空時有很微小的電壓值，大約在 55mv200mv左右，它的大小也是受模擬輸入端有信號源端的影響的，所以當 TLC2543 的模擬輸入通道上沒有信號輸入時，相應(yīng)的輸入通道一般應(yīng)該接低電平或接地。下圖是 TLC2543在仿真時某一時刻其各引腳的電平狀態(tài)和電壓值。 圖 3仿真時 TLC2543 的引腳電平 圖 3 TLC2543 引腳與虛擬示波器連接圖 上面對 TLC2543 芯片的 串行數(shù)據(jù)采集過程進行了仿真，由仿真輸出結(jié)果可以看出數(shù)據(jù)采集非常成功，已經(jīng)達到預(yù)期的數(shù)據(jù)采集目的，并且數(shù)據(jù)采集誤差非常小，在允許的范圍之內(nèi)。需要特別說明的是在上圖中輸出結(jié)果的黑色窗體是掛接在單片機的串口上的一個虛擬終端，工程實際中是不會有這個虛擬終端的，這里只是為了調(diào)試方便，臨時加上去的。另外，上面的仿真圖中似乎少了個串口通信中非常重要的轉(zhuǎn)換芯片，是什么呢？對是電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，為什么這里會沒有它呢？這是因為在 Proteus ISIS軟件中串行接口 COMPIM 已經(jīng)擁有了電平轉(zhuǎn)換功能，所以這里不需要 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片。但是在原理圖中作者還是把它加上去了，并且將串行接口換成了 CONND9F，這樣做是為了與習慣用法一致，看起來直觀，但是這樣做并不影響仿真結(jié)果。 下面我們再來看看模 /數(shù)轉(zhuǎn)換信片 TLC2543在進行數(shù)據(jù)采集時與單片機端相連的四個引腳上的波形圖，并且將這里所的的波形圖與其公司的 DataSheet上的時序圖對比，以檢查數(shù)據(jù)采集程序有無錯誤。為了得到波形圖，在 TLC2543 的四個引腳上連接上四通道示波器，在Proteus ISIS軟件中有多種虛擬圖形顯示工具，其中也包括四個通道的示波器。即 TLC2543的 SDO接示波器的 A通道， SDI接示波器的 B通道， CS片選端接示波器的 C 通道， CLK接示波器的 D 通道具體連接如上圖中所示：連接好之后點擊播放按鈕進行仿真，在示波器上就可以得到四個引腳上的波形圖，如下所示：圖中第一行黃色脈沖波即為 SDO端的波形，第二行藍色為 SDI端的波形，第三行紅色波形為片選端 CS的波形，第四行綠色波形為 CLK時鐘頻率波形，將這四個波形與第二章中 TLC2543的時序圖對比，可以發(fā)現(xiàn)它們是吻合的，這進一步說明數(shù)據(jù)采集程序是正確的，也說明了采集的數(shù)據(jù)的準確性。 圖 3 Proteus ISIS軟件中仿真時 TLC2543的引腳波形圖 、系統(tǒng)串行數(shù)據(jù)傳輸仿真 以上仿真的是單片機端的串行數(shù)據(jù)采集情況，以及接在單片機的串行口上的虛擬終端上輸出顯示的效果，下面對單片機的串行口發(fā)送、微機系統(tǒng)接收進行仿真仿真。因為是在個人微機上面進行仿真，這里并沒有使用第二臺微機，而是采用一款國外作者開發(fā)的虛擬串口軟件，在虛擬串口的作用下，用軟件的方法虛擬出兩個串口，這兩個虛擬串口與個人微機系統(tǒng)的串口 COM1或 COM2的工作原理是一樣的，其中虛擬出來的兩個串口一個作為上位機的串行口，另一個虛擬串口則作為該系統(tǒng)的單片機端串行口。這兩個虛擬串口 在計算機內(nèi)部已經(jīng)用軟件的方法被連接在一起了，所以可以直接在兩個虛擬的串口之間進行通信。虛擬串口軟件 ： 圖 31虛擬串口軟件 VSPD XP5運行界面 運行虛擬串口之后，只需要在右邊選擇兩個虛擬串口，之后點擊其右邊的 Add Pair 按鈕，這樣就虛擬出了兩個串行口，并且他們已經(jīng)相連了，如圖中左邊的藍色陰影區(qū)即為兩個虛擬串行口，上面的為計算機上的物理串口。這樣就可以打開第二章中所編寫的上位機端串行口接收程序，同時運行 Proteus ISIS即可進行仿真，但是這里還要進行相應(yīng)的設(shè)置，否則，上位機接收程序是接收不到任何數(shù)據(jù)的，設(shè)置主 要是設(shè)置單片機端的串口參數(shù)和上位機串口參數(shù)，即使二者遵循相同的通信協(xié)議。單片機端串口設(shè)置方法為：雙擊仿真圖中的串行接口COMPIM，這時會彈出一對話框如下圖所示： 圖 31仿真時單片機端串口參數(shù)設(shè)置示意圖 將它的參數(shù)設(shè)置成與上圖一樣，這里將單片機端的串口設(shè)為 COM1，那么在上位機端應(yīng)該將接收串口設(shè)置為 COM3，因為虛擬串口虛擬出來的是這兩個接口，否則系統(tǒng)會提示找不到串口。 打開上位機端接收程序，先選擇串口 3，并且進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，也就是將參數(shù)設(shè)置成與上圖中一樣，之后點擊打開串口，這時該按鈕右端會有指示，表示所選串口已經(jīng)打開，再會到Proteus ISIS 軟件 界面，點擊播放按鈕進行仿真，回到串口接收程序界面點擊 “開始接收 ”按鈕，這時上位機串口接收程序就開始接收來自單片機的數(shù)據(jù)，接收到的結(jié)果如下圖所示： 圖 31上位機接收程序仿真圖 系統(tǒng)優(yōu)化及改進 、系統(tǒng)硬件優(yōu)化 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)或其他實際應(yīng)用中都是被用作監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，在實際的應(yīng)用中，其工作環(huán)境惡劣，各種各樣的干擾信號都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法工作或者工作不正常，特別是 A/D轉(zhuǎn)換器 TLC2543的模擬信號輸入端更容易受噪聲信號的干擾。雖然在上一章的系統(tǒng)仿真中，仿真結(jié)果相當令人滿意，但是那畢竟是在軟件所給的理想狀態(tài)下得出的結(jié)果，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用 中必須對信號進行調(diào)理，以增強輸入信號的抗干擾能力。 在使用 TLC2543時，必須注意電路板的設(shè)計。每個模擬集成電路的電源端必須用一個 的陶瓷電容連接到地端，作去耦用。推薦每個電源端和陶瓷電容并聯(lián)一個 10uF的鉭電容，特別是在噪聲環(huán)境下，更應(yīng)該如此。 再使用 TLC2543 是應(yīng)該注意的另外一個問題是器件接地問題，對模擬器件和數(shù)字器件，連回到電源的地線回路必須分開，防止數(shù)字部分的噪聲電流通過模擬的回路引入。這種噪聲電流在模擬地的回路引入噪聲電壓，干擾模擬信號。我們知道所有的地線回路都是有一定的阻抗的，所以 地線應(yīng)該盡可能要寬或用地平面，以減小這個阻抗。另外數(shù)字器件和功率開關(guān)器件和 TLC2543應(yīng)該盡量遠。鑒于以上原因，對 TLC2543的模擬信號輸入端設(shè)計如下的電路： 圖 4 TLC2543信號輸入端電路 、系統(tǒng)功能擴展 在前面系統(tǒng)硬件設(shè)計部分已經(jīng)講過， ATMEL 的 AT89C51 單片機和 AT89S51單片機指令完全兼容，功能相同。并且所使用的可執(zhí)行目標 HEX程序無需任何轉(zhuǎn)換可以直接使用， 89S51只比 89C51 增加了一個看門狗功能，而且 AT89S51單片機的性能更優(yōu)越，其貨源充足，價格比 AT89C51還便宜，因為 AT89C51已經(jīng)停產(chǎn)，但是因為此次設(shè)計所使用 的仿真軟件不能對 AT89S51單片機進行仿真，以及其他多方面的原因，所以設(shè)計時沒有采用 AT89S51單片機。在通過仿真后，系統(tǒng)完全能夠達到預(yù)期的串行數(shù)據(jù)采集及傳輸目的，所以在這里將前面設(shè)計的基于 AT89C51單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的單片機替換為 AT89S51單片機，并且擴充數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的看門狗功能。給系統(tǒng)擴展了看門狗功能可以防止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因為程序跑飛而死機。進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 AT89S51單片機的看門狗具體使用方法如下： 在程序初始化中向看門狗寄存器（ WDTRST地址是 0A6H）中先寫入 01EH，再寫入 0E1H。即可激活看門狗。在 C 語言中增加一個聲明語句；在 聲明文件中增加一行 sfr WDTRST = 0xA6。 AT89S51單片機的看門狗程序如下： Main() { WDTRST=0x1E。 WDTRST=0xE1。//初始化看門狗。 While (1) { …… WDTRST=0x1E。 WDTRST=0xE1。//喂狗指令 …… } } 使用 AT89S51看門狗注意事項： 1． 89S51的看門狗必須由程序激活后才開始工作。所以必須保證 CPU有可靠的上電復(fù)位。 否則看門狗 也無法工作。 2． 看門狗使用的是 CPU的晶振。在晶振停振的時候看門狗也無效。 3． 89S51只有 14位計數(shù)器。在 16383 個機器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。而且這個時間是固定的，無法更改。當晶振為 12M時每 16個毫秒需喂狗一次?？梢岳枚〞r器把看門狗的喂狗時間延長幾秒至幾分鐘。 因為在 Proteus ISIS中無法對 AT89S51單片機進行仿真，所以這里就不對上面的看門狗程序進行進一步分析，只作參考。系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計及功能擴展后的電路圖如下： 圖 4優(yōu)化改進后的電路圖 、系統(tǒng)軟件優(yōu)化 系統(tǒng)軟件優(yōu)化包括單片機端軟件優(yōu)化和上位機端接收程序的優(yōu)化，這里只提供 優(yōu)化方案，并且作簡要描述。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸程序并沒有使用可靠的通訊協(xié)議，只是簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，對于那些對數(shù)據(jù)準確性要求不是很高的情況下，這種方法方法是行之有效的，但是對數(shù)據(jù)的傳輸準確性要求高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種方法必須改進，因為沒有可靠的傳輸協(xié)議，無法確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的準確性，在受到外部干擾的情況下更容易造成數(shù)據(jù)傳輸誤差，所以在工程實際應(yīng)用中必須設(shè)計可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的準確性。上位機接收程序的功能也不夠強大，只是簡單的串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能，并且顯示效果也還需要改進。因為這里只是設(shè)計 串行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，所以并沒有對傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)進行處理分析，而在實際的工程應(yīng)用中，采集數(shù)據(jù)的目的就是通過這些數(shù)據(jù)了解被監(jiān)測對象的運行狀況，并且實現(xiàn)對被監(jiān)測對象的控制，這就必須對被采集到的原始數(shù)據(jù)進行分析處理，從中提取對我們有用的數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制動態(tài)曲線圖從而更直觀的顯示被監(jiān)測對象的運行狀態(tài)，并且保存數(shù)據(jù)資料與曲線圖，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以備日后分析、調(diào)用及對照。下圖即為一個很好的基于串行通信的監(jiān)測軟件，圖中接收到的數(shù)據(jù)即為本單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，這是一款功能很強大的串行通信檢測軟件，遺憾 的是它依然沒有根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)繪制曲線圖的功能。 圖 4 基于串口的優(yōu)秀監(jiān)測軟件示意圖 總結(jié) 經(jīng)過三個多月的緊張的學習與研究，至此，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)全部完成，所設(shè)計的單片機串行數(shù)據(jù)采集、傳輸模塊基本達到預(yù)期的目的，完美地完成了串行數(shù)據(jù)采集、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，并且利?Keil uVsion3軟件對其進行了軟件仿真，之后利用了 Proteus ISIS對系統(tǒng)進行了基于硬件的仿真，再結(jié)合虛擬串口軟件 VSPD XP5 和自己編寫的上位機接收程序進行了串行數(shù)據(jù)傳輸仿真，仿真效果很好，通過仿真證明了系統(tǒng)方案的可行性。 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)采集，串行數(shù)據(jù)傳輸功能， 該系統(tǒng)可對 11 路通道的模擬信號進行循環(huán)數(shù)據(jù)采集，并且誤差范圍非常小，數(shù)據(jù)采集速度高，能夠滿足一般多通道數(shù)據(jù)采集的需要。 在做畢業(yè)設(shè)計之初，我查了很多關(guān)于單片機串行數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)的設(shè)計資料，我發(fā)現(xiàn)有非常多的專家學者都作過這方面的研究，并且其中不乏非常優(yōu)秀的作品，有做無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的，有做基于 USB 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，還有做基于 CAN 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且有的已經(jīng)投入工程應(yīng)用，歷經(jīng)了長時間的實踐的檢驗，而我?guī)缀鯊牧汩_始做數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)自己很難找到創(chuàng)新點，即使成功了也是對前人工作的一次重復(fù)， 一度我很茫然，前人的設(shè)計水平我無法超越，又沒有自己獨到的創(chuàng)新點，我做畢