【正文】 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(huì)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(huì)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。[1]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2000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2006年。 該課題研究的主要內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問題。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號獲取對象信息的過程。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒有上位機(jī)的支持，不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)容量都是有限的，所以不得不對存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋刷新，這樣不利于用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，因而也不能對生產(chǎn)過程的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。這樣用戶可以在上位機(jī)上編寫各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢和分析，有利于工業(yè)過程的長期正常運(yùn)行和檢查。 本章小結(jié)本章主要介紹了采集系統(tǒng)的發(fā)展歷史，從20世紀(jì)50年代開始至今，并詳細(xì)介紹了每個(gè)階段的采集系統(tǒng)的組成。第2章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案論證 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。AT89C51圖 21 系統(tǒng)框圖 方案論證 單片機(jī)的選擇單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的一個(gè)重要的分支。單片機(jī)要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，在用KeiluVision2把程序下載到單片機(jī)內(nèi)。 [9] 溫度采集模塊[15]方案一：低電壓10位數(shù)字溫度傳感器AD7314。它包含一個(gè)帶隙式溫度傳感器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有溫度監(jiān)測的能力，℃。它具有低的電源電流特性，這使其適合各種應(yīng)用，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備和消費(fèi)類電子。2℃，～，并且采用小外形8引腳μSOIC封裝。AD7314非常適合那些低功耗、低電壓是主要考慮因素的便攜式和電池供電的應(yīng)用場合。缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴。熱電偶傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡單、測量范圍寬(通常從50～+1600 ℃)及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。一般采用熱電偶調(diào)理模板或調(diào)理模塊來完成這項(xiàng)工作最為便捷，而自行設(shè)計(jì)、制作儀表放大器則較為繁瑣且較難保證精度。DS18B20是由美國DALLAS公司提供的一種單總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器，它可提供二進(jìn)制9位溫度信息，分辨率為0. 5℃，可在55～+125℃的范圍內(nèi)測量溫度。DS18B20完成讀、寫和溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，也可以由外部供給。此特性可普遍應(yīng)用在包括環(huán)境監(jiān)測、建筑物和設(shè)備內(nèi)的溫度場測量，以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測中。 顯示模塊[15]方案一：采用液晶顯示。缺點(diǎn)是容易燒毀，必須加限流電阻。優(yōu)點(diǎn)是顯示時(shí)間較為清晰，遠(yuǎn)距離也能看清。缺點(diǎn)是電路接線較多，顯示內(nèi)容少，只能顯示數(shù)字，不能顯示中文。語音芯片優(yōu)點(diǎn)是能輸出各種錄制好的聲音，輸出容易豐富。方案二：采用蜂鳴器輸出提示?？紤]成本與本設(shè)計(jì)只需要一種工作完成的提示，用簡單的蜂鳴器電路已經(jīng)足夠，故選擇方案二。根據(jù)案件的識(shí)別方法分類，有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有兩種接口方法：一種是獨(dú)立按鍵接口；另一種是矩陣式按鍵接口。在單片機(jī)中，如果所需的按鍵較少，可采用獨(dú)立式鍵盤。如圖22所示。無按鍵按下時(shí)，~。圖 22 獨(dú)立按鍵接口圖方案二：矩陣式按鍵接口。如對于20只按鍵接口，如采用按鍵獨(dú)立方式，需要20個(gè)I/O口。如圖23所示。 圖 23 矩陣式按鍵接口圖在該系統(tǒng)中所用到的按鍵有4個(gè)，所以采取獨(dú)立按鍵接口方式。常用的芯片是MAX232，MAX232的優(yōu)點(diǎn)是：（1）一片芯片可以完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能；（2）單一電源+5V供電；（3）它的電路設(shè)計(jì)與連接比較簡單而且功能齊全。表 21 系統(tǒng)的元器件清單器件名稱型號原理圖中標(biāo)號器件名稱型號原理圖中標(biāo)號電阻10KRRRRRR8按鍵RES、KKKK4R2液晶顯示器LCD1602LCD1330R7單片機(jī)AT89C51U1電容22pfC1MAX232U330pfC2燈LAMP10nfCC5蜂鳴器BELL1nfCCC7串口J1三極管MPS6514Q1溫度傳感器DS18B20U2晶振12MHZX1LEDLEDREDD1 AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年三級程序存儲(chǔ)器鎖定32可編程I/O線一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu) 低功耗的閑置和掉電模式圖 24 AT89C51的引腳圖VCC：供電電壓。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表22所示。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。[9] 溫度傳感器DS18B20系統(tǒng)中溫度測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集由Dallas公司的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20完成。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)?！?，℃。F～+257176。溫度轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號所需時(shí)間最長為750ms，；（7）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；（8）告警搜索命令可識(shí)別和定位那些超過報(bào)警限值的 DS18B20；（9）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫；（10）電源極性接反時(shí)，DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖 26 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ROM中的64位序列碼是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列碼均不相同。接著的48位是該DS18B20唯一的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。表23 64位ROM結(jié)構(gòu)示意圖8位產(chǎn)品系列編碼48位序列號8位CRC編號MSB LSB MSB LSB MSB LSB(最高有效位) (最低有效位)如圖27所示，DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存（便箋式）RAM和一個(gè)非易失性 EEPROM（高溫觸發(fā)器TH、低溫觸發(fā)器TL和配置寄存器）。數(shù)據(jù)通常首先寫入暫存存儲(chǔ)器，在那里它可以被讀回。這一過程確保了更改存儲(chǔ)器時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。圖 27 DS18B20 的存儲(chǔ)器組織高速暫存存儲(chǔ)器是按9個(gè)8位字節(jié)存儲(chǔ)器來組織的。如果在使用DS18B20的過程中不對其施加告警搜索命令，則第2和第3個(gè)字節(jié)可用作通用用戶存儲(chǔ)器，在本系統(tǒng)中即作為通用存儲(chǔ)器使用，定義這兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)該溫度傳感器在系統(tǒng)中的序號，為每個(gè)溫度傳感器分配的序號在系統(tǒng)中是唯一的。第8個(gè)字節(jié)為只讀型字節(jié)，它是前面所8個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)字節(jié)（CRC）。如表24所示（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）。本系統(tǒng)中對于DS18B20的配置寄存器沒有進(jìn)行修改，即采用其出廠時(shí)的配置，使得采集到的溫度值分辨率可達(dá)到12bit。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以16 位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第0，1字節(jié)。[15]DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，如果出現(xiàn)序列混亂，1WIRE器件將不響應(yīng)主機(jī)，因此讀寫時(shí)序很重要。根據(jù)DS18B20的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制DS18B20完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下3個(gè)步驟 ：（1）每次讀寫前對DS18B20進(jìn)行復(fù)位初始化。（2）發(fā)送一條ROM指令，DS18B20的ROM指令集如下表25所示。表 26 DS18B20 的存儲(chǔ)器指令集指令名稱指令代碼指令功能溫度變換44H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長為500ms，結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的第4字節(jié)寫上。1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14引腳（無背光）或16引腳（帶背光）接口，各引腳接口說明見下表27。該腳電平為高時(shí)表示將進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；為低時(shí)表示進(jìn)行命令操作；RW：也是很多液晶上都有的引腳 是讀寫選擇端 該腳電平為高是表示要對液晶進(jìn)行讀操作；為低時(shí)表示要進(jìn)行寫操作； E：同樣很多液晶模塊有此引腳 通常在總線上信號穩(wěn)定后給一正脈沖通知把數(shù)據(jù)讀走，在此腳為高電平的時(shí)候總線不允許變化；D0—D7：8位雙向并行總線，用來傳送命令和數(shù)據(jù)；BLA是背光源正極，BLK是背光源負(fù)極。 表 28 基本操作讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0～D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0～D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0～D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入S=H，R/W=L，D0～D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖R輸出無對此液晶操作主要有以下幾種方法。[15]（命令碼）此液晶上電的時(shí)候需要初始化典型的指令碼是38H，也就是上電的時(shí)候需要調(diào)用INIT_LCD這個(gè)子程序?qū)懼噶畲a，用法是MOV A,38H；執(zhí)行完這個(gè)命令可以把液晶初始化成16x2顯示5x7的點(diǎn)陣8位總線接口。此液晶支持的指令碼有指令碼功能00111000設(shè)置162顯示，57點(diǎn)陳，8位數(shù)據(jù)接口解釋：就是0x38 的命令指令碼功能00001DCBD=1 開顯示；D=0 關(guān)顯示C=1 顯示光標(biāo)；C=0 不顯示光標(biāo)B=1 光標(biāo)閃爍；B=0 光標(biāo)不顯示000001NSN=1 當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一N=0 當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減一，且光標(biāo)減一S=1 當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光標(biāo)不移動(dòng)而屏幕移動(dòng)的效果。第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及分析 系統(tǒng)總體流程圖系統(tǒng)的工作流程如圖31，首先器件上電復(fù)位，溫度檢測芯片DS18B20檢測當(dāng)前溫度。注意，除非電路掉電復(fù)位，又或者是溫度恢