【正文】 ..... 30 5 調(diào)試與結(jié)果 .............................................................................................................. 33 總結(jié)與體會 .................................................................................................................. 34 IV 致 謝 ............................................................................................................................ 34 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 35 附錄 1 ........................................................................................................................... 36 附錄 2 ........................................................................................................................... 37 1 1 緒論 研究背景及目的意義 近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(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。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。 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)。從 70 年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多。 20 世紀(jì) 90 年代至今， 在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2 盡管現(xiàn)在以微 機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣 泛的應(yīng)用。它起始于 20 世紀(jì)中期，在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會的發(fā)展主流方向。 我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用 TDE124C型 TDE224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 該數(shù)據(jù)采集對拾震計(jì)輸出的電信號模擬放大后送至 A/D 數(shù)字化， A/D 采用同時(shí)采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng) DSP 數(shù)字濾波處理后，變成數(shù)字地震信號。 由美國 PASCO 公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由 3部分組成：（ 1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（ 2）計(jì)算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為 25萬次 /S；（ 3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。如愛爾蘭 ACRA 公司 2021 年研發(fā)推出的新一代 KAM500 機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了 2021 年。 3 該課題研究 的主要內(nèi)容 本論文研究的是具有構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、造價(jià)低廉、便于維護(hù)等特點(diǎn)，可廣泛 應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機(jī)電一體化、智能家居等諸 多領(lǐng)域的基于單片機(jī)的多通道信號采集系統(tǒng)。在軟件結(jié)構(gòu)上，它主要由多路信號采集， PC機(jī)與單片機(jī)通訊，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)處理及保存等程序。 本文的工作主要分為兩個(gè)部分內(nèi)容： (1)研究基于單機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。 (2)研究基于多機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 4 2 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸 入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。 70 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。由微處理器去完成程序控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大地提高，系統(tǒng)硬件成本和系統(tǒng)的重建費(fèi)用大大地降低。而單片機(jī)是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。 與上位機(jī)通信 可以由芯片 MAX232 實(shí)現(xiàn)通信。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路， A/D,單片機(jī)等組成。 圖 系統(tǒng)框圖 器件選擇 A / D 轉(zhuǎn) 換 器 單 片 機(jī) 上位機(jī) MAX232 采集信號 5 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇 AD 轉(zhuǎn)換器種類 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來說，可以分為 8 位、 10 位、 12 位和 16 位等。 A/D 轉(zhuǎn)換器型號很多，而其轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。 (2)雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器：它是一種間接式的 A/D 轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度比較高，缺點(diǎn)是數(shù)度很慢，適用于對轉(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。 AD 轉(zhuǎn)換器主要指標(biāo) （ 1）分辨率（ Resolution）。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的 AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。因此習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。 （ 3）量化誤差（ Quantizing Error）。通常是 1 個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為 1LSB、 1/2LSB。輸人信號為雷時(shí)輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。滿刻度輸出時(shí)對應(yīng)的輸人信號與理想 6 輸人信號值之差。實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上 3 種誤差。 結(jié)合以上原則，同時(shí)參考價(jià)格和實(shí)用性比較， ADC0808 總的不可調(diào)誤差為177。雖然 ADC0808 性能參數(shù)并不是最佳，但由于價(jià)格便宜，同時(shí)能夠完全滿足設(shè)計(jì)的基本需要，加之， ADC0808 能夠在 Protues中仿真使用，故，本設(shè)計(jì)選用 ADC0808。針對所做設(shè)計(jì)中所要使用的單片機(jī)進(jìn)行了如下簡短的比較。 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平）。因?yàn)樗鼉?nèi)部寄存器在進(jìn)行八位除以八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得不多。 I/O 口輸出時(shí)無驅(qū)動能力。低電平時(shí)，吸入電流可達(dá) 20mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十μ A甚至更小，基本上沒有驅(qū)動能力。作輸出腳使用，欲進(jìn)行高電平驅(qū)動時(shí)，得用外電路來實(shí)現(xiàn)。此外它還具有體積大、 ROM 少等 缺點(diǎn)。總線采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快 (指令周期約 160～ 200ns)，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令。 PIC 系列單片機(jī)的 I/O 腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器從而解決了 51系列 I/O 腳為高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。 相對于 51 系列而言，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示。精度較 51 也有明顯的改善。 缺點(diǎn)：該系列單片機(jī)的專用寄存器（ SFR）并不像 51 系列那樣都集中在一個(gè)固定的地址區(qū)間內(nèi) (80～ FFH)，而是分散在四個(gè)地址區(qū)間內(nèi)，即存儲體0（ Bank0： 00～ 7FH）、存儲體 1(Bank1 ： 80～ FFH)、存儲體 2(Bank2 ：100～ 17FH)、存儲體 3(Bank3 ： 180～ 1FFH)。在編程過程中，得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲體這多少給編程帶來了一些麻煩。數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過工作寄存器 W（相當(dāng)于 51 系列的累加器 A）來進(jìn)行，而 51 系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送 (如： MOV 30H， 20H；將寄存器 20H的內(nèi)容直接傳送至 寄存器 30H 中 )，因而 PIC 單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象比 51 系列還要嚴(yán)重。與 PIC 系列相當(dāng)。 AVR 的專用寄存器集中在 00～ 3F 8 地址區(qū)間，無需像 PIC 那樣得先進(jìn)行選存儲體的過程，使用起來比 PIC 方便。雖不如 PIC，但比 51 系列強(qiáng)。在 51 系列中，所有的邏輯運(yùn)算都必須在 A 中進(jìn) 行；而 AVR 卻可以在任兩個(gè)寄存器之間進(jìn)行，省去了在 A 中的來回折騰，這些都比 51 系列強(qiáng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)。 優(yōu)點(diǎn)：片內(nèi)集成了答容量的 RAM 和 FLASH 存儲器，無需擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)大型程序的應(yīng)用。片內(nèi)集 成了多個(gè) 32 位的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，可滿足對精度的要求。使用了流水線技術(shù)，是的處理器和存儲系統(tǒng)連續(xù)工作，有效地地提高了處理器的利用率。 設(shè)計(jì)中單片機(jī)不需要處理大量的數(shù)據(jù)，要求的精度不是很高，并不需要更高性能的單片機(jī)。 串行通信方式 和接口 選擇 串口通信方式選擇 串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(jì)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。 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)。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(shí)，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5～ +15V，負(fù)電平在 5～ 15V電平。接收器典型的工作電平在 +3～+12V與 3～ 12V。 RS232是為點(diǎn)對點(diǎn) (即只用～對收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～ 7k。計(jì)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(jì)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 121P明。 (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(cuò)誤。 RS422的信號將被傳送出去時(shí)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。 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 — 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(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在 2～ 6v，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。 “使能”端是用于控籟發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。典型的 RS422是四線接口。其DB9連接器引腳定義。即一個(gè)主設(shè)備 (Master)， 10 其余為從設(shè)備 (Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422支持點(diǎn)對多的雙向通信。 RS422四線接口由于采用單獨(dú)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/x0FF握手 )或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線 )實(shí)現(xiàn)。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 lOOkb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。一般 100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速 率僅為 lMB/s。同時(shí)， 電平與 TTL 電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路。 （ 2）單一電源 +5V供電 。 （ 4） MAX232 實(shí)用性很強(qiáng)。特別需要注意的是 DB9串口的 2腳為數(shù)據(jù)接收腳， 3腳為數(shù)據(jù)發(fā)送腳，而 DB25串口的 2腳， 3腳功能恰好相反 。 而真正用到的串口針數(shù)更少，使用基本的兩個(gè)接受、發(fā)送數(shù)據(jù)針就能夠滿足最基本的要求，加之 25針串口在實(shí)際生活中端口越來越少，大多數(shù)電腦只有 9針串口。 顯示部分 能夠滿足顯示的元器件很多， LED 數(shù)碼管、 LCD 液晶顯示均能夠?qū)崿F(xiàn)。 LM016L 液晶模塊采用 HD44780 控制器， hd44780 具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動，閃爍等功能 。故，本設(shè)計(jì)中采用直流電壓表測量。單片機(jī)通過對通道的控制，選擇性的將具體某路數(shù)字 信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)將得到的數(shù)字信號 在 LCD 液晶顯示屏上面顯示。 然后，分別對系統(tǒng)硬件所需要要的元器件進(jìn)行分析，多種型