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“數據采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉換成數字量后，再由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示和打印的過(guò)程，相應的系統稱(chēng)為數據采集系統。 本文的主要任務(wù)是對0～5V的直流電壓進(jìn)行測量并送到遠端的PC機上進(jìn)行顯示。由于采集的是直流信號，對于緩慢變化的信號不必加采樣保持電路，因此選用市面上比較常見(jiàn)的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉換速度快，價(jià)格低廉，可以直接將直流電壓轉換為計算機可以處理的數字量。同時(shí)選用低功耗的LCD顯示器件來(lái)滿(mǎn)足其在終端顯示采集結果的需求。終端鍵盤(pán)控制采用盡可能少的鍵來(lái)實(shí)現控制功能，為了防止鍵盤(pán)不用時(shí)的誤操作，設計時(shí)還設置了鎖鍵功能，在鍵盤(pán)的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來(lái)降低硬件開(kāi)銷(xiāo)，提高系統的抗干擾能力。軟件設計方面則采用功能模塊化的設計思想;鍵盤(pán)模數轉換等采用中斷方式來(lái)實(shí)現，從而大大提高了單片機的效率以及實(shí)時(shí)處理能力。 1 數據采集系統的硬件結構 數據采集系統的硬件結構一般由信號調理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D轉換器以及單片機等組成。本文主要完成功能的系統硬件框圖如圖1所示。 圖1 數據采集系統硬件設計框圖 2 ADC0809模數轉換器簡(jiǎn)介 2.1 ADC0809的結構功能 本數據采集系統采用計算機作為處理器。電子計算機所處理和傳輸的都是不連續的數字信號，而實(shí)際中遇到的大都是連續變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉換成電信號后，需要模/數轉換將其變成數字信號才可以輸入到數字系統中進(jìn)行處理和控制，因此，把模擬量轉換成數字量輸出的接口電路，即A/D轉換器就是現實(shí)信號轉換的橋梁。 目前，世界上有多種類(lèi)型的A/D轉換器，如并行比較型、逐次逼近型、積分型等。本文采用逐次逼近型A/D轉換器，該類(lèi)A/D轉換器轉換精度高，速度快，價(jià)格適中，是目前種類(lèi)最多，應用最廣的A/D轉換器。逐次逼近型A/D轉換器一般由比較器、D/A轉換器、寄存器、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。 ADC0809就是一種CMOS單片逐次逼近式A/D轉換器，其內部結構如圖2所示。該芯片由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力。該器件既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。 ADC0809是8路8位A/D轉換器(即分辨率8位)，具有轉換起�？刂贫�，轉換時(shí)間為100μs采用單+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V，且不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準，工作溫度范圍為-40～+85℃功耗可抵達約15mW。 ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，圖3所示是其引腳排列圖。各引腳的功能如下： 圖3 ADC0809的引腳排列圖 IN0～IN7：8路模擬量輸入端; D0～D7：8位數字量輸出端; ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線(xiàn)，用于選通8路模擬輸入中的一路; ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效; START：A/D轉換啟動(dòng)信號，輸入，高電平有效; EOC：A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平(轉換期間一直為低電平); OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出為數字量; CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高640kHz; REF(+)、REF(-)：基準電壓; Vcc：電源，單一+5V; GND：地。 ADC0809工作時(shí)，首先輸入3位地址，并使ALE為1，以將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼可選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位;下降沿則啟動(dòng)A/D轉換，之后，EOC輸出信號變低，以指示轉換正在進(jìn)行，直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖�，指示A/D轉換結束，并將結果數據存入鎖存器，這個(gè)信號也可用作中斷申請。當OE輸入高電平時(shí)，ADC的輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉換結果的數字量可輸出到數據總線(xiàn)。 A/D轉換器的位數決定著(zhù)信號采集的精度和分辨率。對于8通道的輸入信號，其分辨率為0.5%。8位A/D轉換器的精度為： 2.2 ADC0809的工作時(shí)序 圖4所示是ADC0809的工作時(shí)序圖。從該時(shí)序圖可以看出，地址鎖存信號ALE在上升沿將三位通道地址鎖存，相應通道的模擬量經(jīng)過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)送到A/D轉換器。啟動(dòng)信號START上升沿復位內部電路，START的下降沿啟動(dòng)轉換，此時(shí)轉換結束信號EOC呈低電平狀態(tài)，由于逐位逼近需要一定過(guò)程，所以，在此期間，模擬輸入量應維持不變，比較器要一次次比較，直到轉換結束，此時(shí)變?yōu)楦唠娖�。若CPU發(fā)出輸出允許信號OE(輸出允許為高電平)，則可讀出數據。另外，ADC0809具有較高的轉換速度和精度，同時(shí)受溫度影響也較小。 2.3 ADC0809與MCS-51單片機的接口電路 ADC0809與MCS-51系列單片機的接口電路如圖5所示。圖中，74LS373輸出的低3位地址A2、A1、A0加到通道選擇端A、B、C，可作為通道編碼。其通道基本地址為0000H～0007H。8051的WR與P2.7經(jīng)過(guò)或非門(mén)后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2.7經(jīng)或非門(mén)后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機的P3.3(INT1)。 3 單片機與PC機的互連 目前的串行通信接口標準都是在RS-232標準的基礎上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成的。RS-323C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì ))與BELL等公司一起開(kāi)發(fā)通信協(xié)議。它適合于數據傳輸速率在0～20000b/s范圍內的通信。這個(gè)標準對串行通信接口(如信號線(xiàn)功能、電器)特性都作了明確規定。由于通行設備廠(chǎng)商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。 3.1 電氣特性 EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線(xiàn)功能都作了規定。在TxD和RxD上，邏輯1(MARK)電平為-3V～-15V，邏輯0(SPACE)電平為+3～+15V;而在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上，信號有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)電壓為+3V～+15V，信號無(wú)效(斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負電壓)電壓為-3V～-15V。 以上規定說(shuō)明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。對于數據(信息碼)：邏輯“1”(傳號)的電平低于-3V，邏輯“0”(空號)的電平高于+3V;對于控制信號;接通狀態(tài)(ON)即信號有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)(OFF)即信號無(wú)效的電平低于-3V，也就是說(shuō)，當傳輸電平的絕對值大于3V時(shí)，電路才可以有效地檢查出來(lái)，介于-3～+3V之間的電壓無(wú)意義。低于-15V或高于+15V的電壓也認為無(wú)意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應保證電平在±(3～15)V之間。 對于EIA-RS-232C與TTL的轉換，由于EIARS-232C是用正負電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，它與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規定不同。因此，為了能夠同計算機接口或與終端的TTL器件連接，就必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。 3.2 DB-9連接器 DB-9連接器作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個(gè)串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個(gè)信號。由于DB-9型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若要與配接DB-25型連接器的DCE設備進(jìn)行連接，就必須使用專(zhuān)門(mén)的電纜線(xiàn)。 設計時(shí)對電纜長(cháng)度的要求是在通信速率低于20kb/s時(shí)，RS-232C所直接連接的最大物理距離應為15m(50英尺)。 根據RS-232C標準規定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間的最大傳輸距離為15m(50英尺)。由于這個(gè)最大距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。因此，為了保證碼元畸變小于4%的要求，本接口標準在電氣特性中規定，驅動(dòng)器的負載電容應小于2500pF。 3.3 單片機與MAX232的連接 MAX232是一種雙組驅動(dòng)器/接收器，該芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉換。其片內含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，可以在單+5V伏電壓供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平。每個(gè)接收器都應將EIA/TIA-232-E電平轉換為5VTTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門(mén)限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收30V輸入。每個(gè)驅動(dòng)器都應將TTL/CMOS輸入電平轉換為EIA/TIA-232-E電平。所有的驅動(dòng)器，接收器及電壓發(fā)生器都可以在德州儀器公司的元件庫中得到標準單元。MAX232的工作溫度范圍為0～70℃。 圖6所示是MAX232芯片的工作電路圖。在實(shí)際應用中，該器件對電源的噪聲很敏感。圖中的四個(gè)取同樣數值的電解電容(1.0μF/16V)，用以提高抗干擾能力。本設計可從MAX232芯片中的兩路發(fā)送接收器中選用一路作為接口，但設計時(shí)應注意發(fā)送與接收的對應。 4 結束語(yǔ) 本文給出了一個(gè)基于A(yíng)D0809和單片機的多路數據采集系統的硬件實(shí)現方法，該方法在終端采用8051單片機為核心來(lái)控制數據采集及數據上傳工作，并通過(guò)A/D轉換器將0～5V的直流電壓轉換為計算機可以進(jìn)行處理的數字信號，然后經(jīng)過(guò)單片機對其進(jìn)行處理，從而完成在終端顯示以及將數據上傳等功能。系統中的上位機完成對所采集的數據進(jìn)行顯示及對下位機的控制等功能。 |
