基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

1、 39/43摘 要在工業(yè)現(xiàn)場存在著大量諸如溫度、壓力、流量等的參數(shù)，研制一款多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對各種參數(shù)實時采集和處理，并與上位機進行通訊，以滿足工業(yè)現(xiàn)場應用需求。在分析了不同類型的單片機的特點與單片機與PC機通信技術的基礎上，設計了單片機控制的采集系統(tǒng)，并通過串口通信實現(xiàn)單片機與PC機之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送并將數(shù)據(jù)在PC機上進行頻譜分析，完成單機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)?；趩纹瑱C的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由將來自傳感器的信號通過放大、線性化、濾波、同步采樣保持等處理后，輸入AD轉換為數(shù)字信號后由單片機采集，然后利用單片機與PC機的通信將數(shù)據(jù)送到PC機進行數(shù)據(jù)的存儲、后期處理與顯示

2、，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高、應用廣泛的特點，可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域。關鍵詞：數(shù)據(jù)采集,單片機,A/D轉換器,頻譜分析AbstractThere are many parameters such as temperatures，pressure， flow and so on in the industrial fieldIt is important to gather and process all kinds of parameters and communicate with PC in real-timeIt is

3、necessary to develop a multichannel data acquisition system to meet the needs of application in the industrial field。Based on the analysis of the characteristics of different types of SCM and SCM and PC communication technology infrastructure, SCM control of the collection system designed and adopte

4、d MCU serial communication between PC and communications, Data transmission and analysis of the frequency spectrum on the PCSingle completed the multi-channel data acquisition system design and implementation. Based on SCMs multi-channel data acquisition system is adopted will come from the sensor s

5、ignal amplificalion, linear filtering After processing maintain synchronous sampling which converted to digital signal input AD conversion by SCM acquisition, Then,SCM and PC to PC communications data to the data storage, post-processing and display.A powerful data processing, visual shows, friendly

6、 interfrace and high performance-price ratio,a wide range of features can be widely used in industrial control equipment ,instruments,and electrial engineering integration,intelligent home and many other fields. Key Words:Data Acquisition,Microcontroller,A/D Converter, frequency spectrum analysis目 錄

7、TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc110419323摘要HYPERLINK l _Toc110419324ABSTRACT引HYPERLINK l _Toc110419325言1HYPERLINK l _Toc110419326第1章系統(tǒng)分析和方案確定2HYPERLINK l _Toc1104193271.1 信號采集分析2HYPERLINK l _Toc1104193281.1.1 信號采集2HYPERLINK l _Toc1104193291.1.2 A/D轉換器的選取4HYPERLINK l _Toc1104193301.2 控制與顯示方法分析5HYPERLI

8、NK l _Toc1104193311.2.1 單片機系統(tǒng)分析5HYPERLINK l _Toc1104193321.2.2 顯示與鍵盤分析6HYPERLINK l _Toc1104193331.3 傳輸方式分析7HYPERLINK l _Toc1104193331.4頻譜分析方式分析8HYPERLINK l _Toc110419334第2章系統(tǒng)硬件設計10HYPERLINK l _Toc1104193352.1 信號調(diào)理電路10HYPERLINK l _Toc1104193362.2 數(shù)據(jù)采集電路10HYPERLINK l _Toc1104193372.2.1 A/D轉換的一般步驟10HYP

9、ERLINK l _Toc1104193382.2.2 ADC0809部功能與引腳介紹10HYPERLINK l _Toc1104193392.2.3 ADC0809與MCS-51系列單片機的接口方法12HYPERLINK l _Toc1104193402.4 控制器、振蕩源和復位電路14HYPERLINK l _Toc1104193412.5 鍵盤與顯示電路14HYPERLINK l _Toc1104193422.6 通信電路15HYPERLINK l _Toc110419343第3章軟件設計18HYPERLINK l _Toc1104193443.1 A/D轉換18HYPERLINK l

10、_Toc1104193453.2 標度變換20HYPERLINK l _Toc1104193473.3鍵盤程序21HYPERLINK l _Toc1104193483.4 LED顯示程序22HYPERLINK l _Toc1104193493.5通信程序23HYPERLINK l _Toc1104193503.5.1 下位機程序23HYPERLINK l _Toc1104193513.5.2 上位機LabVIEW程序24HYPERLINK l _Toc110419352結論26HYPERLINK l _Toc110419354參考文獻28HYPERLINK l _Toc110419355附錄A

11、：系統(tǒng)電路圖29HYPERLINK l _Toc110419355附錄B：系統(tǒng)電路圖30HYPERLINK l _Toc110419356致辭 PAGEREF _Toc110419356 h 38引 言隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普與，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領域有著廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量與壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點任意參數(shù)能夠進行隨機查尋，將其在某一時間段檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換提取出來，以便進行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。 隨著工、農(nóng)業(yè)

12、的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應用，為適應這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學研究中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一?？傊徽撛谀膫€應用領域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟效益。 此外，計算機的發(fā)展對通信起了巨大的推動作用.計算機和通信緊密結合構成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構成強有力的信息處理系統(tǒng),這樣對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。數(shù)據(jù)通信是計算機廣泛應用的必然產(chǎn)物。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴格的意義上來說，應該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠對數(shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算以與從檢測的數(shù)據(jù)

13、中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。由于RS-232在微機通信接口中廣泛采用，技術已相當成熟。在近端與遠端通信過程中，采用串行RS-232標準，實現(xiàn)PC機與單片機間的數(shù)據(jù)傳輸。LabVIEW是虛擬儀器領域中最具普適性的圖形化編程開發(fā)工具，是當前國際上應用最廣效果最佳的數(shù)據(jù)采集與控制開發(fā)軟件之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析與顯示等領域，適用于多種不同的操作系統(tǒng)。而其自帶的VISA子模塊，則可更方便、快捷地實現(xiàn)串口編程，完成控制機與儀器之間的連接與控制的功能。系統(tǒng)分析和方案確定根據(jù)系統(tǒng)基本要求，將本系統(tǒng)劃分為如下幾個部分：信號調(diào)理電路8路模擬信號的產(chǎn)生與A/D轉換器發(fā)送端

14、的數(shù)據(jù)采集與傳輸控制器人機通道的接口電路數(shù)據(jù)傳輸接口電路采集數(shù)據(jù)的頻譜分析數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路開關，采樣保持電路，A/D，單片機，電平轉換接口，接收端（單片機、PC或其它設備）組成。系統(tǒng)框圖如圖1.1所示圖1.1系統(tǒng)框圖1.1 信號采集分析被測電壓為05V直流電壓，可通過電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生。1.1.1 信號采集多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用共享數(shù)據(jù)采集通道的結構形式。數(shù)據(jù)采集方式有順序控制數(shù)據(jù)采集和程序控制數(shù)據(jù)采集。方案一：順序控制數(shù)據(jù)采集，顧名思義，它是對各路被采集參數(shù)，按時間順序依次輪流采樣。原理如下圖1.2系統(tǒng)的性能完全由硬件設備決定。在每次的采集過程中，所采集參數(shù)的數(shù)目、采樣

15、點數(shù)、采樣速率、采樣精度都固定不變。若要改變這些指標，需改變接線或更換設備方能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集時，控制多路傳輸門開啟和關閉的信號來自脈沖分配器，在時鐘脈沖的推動下，這些控制信號不斷循環(huán)，使傳輸門以先后順序循環(huán)啟閉。圖1.2數(shù)據(jù)采集原理方案二：程序控制數(shù)據(jù)采集，由硬件和軟件兩部分組成。，據(jù)不同的采集需要，在程序存儲器中，存放若干種信號采集程序，選擇相應的采集程序進行采集工作，還可通過編新的程序，以滿足不同采樣任務的要求。如圖1.3所示。程序控制數(shù)據(jù)采集的采樣通道地址可隨意選擇，控制多路傳輸門開啟的通道地址碼由存儲器中讀出的指令確定。即改變存儲器中的指令容便可改變通道地址。由于順序控制數(shù)據(jù)采集方式圖

16、1.3程序控制數(shù)據(jù)采集原理缺乏通用性和靈活性，所以本設計中選用程序控制數(shù)據(jù)采集方式。采集多路模擬信號時，一般用多路模擬開關巡回檢測的方式，即一種數(shù)據(jù)采集的方式。利用多路開關（MUX）讓多個被測對象共用同一個采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實質。當采集高速信號時，A/D轉換器前端還需加采樣/保持(S/H)電路。待測量一般不能直接被轉換成數(shù)字量，通常要進行放大、特性補償、濾波等環(huán)節(jié)的預處理。被測信號往往因為幅值較小，而且可能還含有多余的高頻分量等原因，不能直接送給A/D轉換器，需對其進行必要的處理，即信號調(diào)理。如對信號進行放大、衰減、濾波等。通常希望輸入到A/D轉換器的信號能接近A/D轉換器的

17、滿量程以保證轉換精度，因此在直流電流電源輸出端與A/D轉換器之間應接入放大器以滿足要求。本設計中的被測量為05V直流信號，由于輸出電壓比較大，滿足A/D轉換輸入的要求，故可省去放大器，而將電源輸出直接連接至A/D轉換器輸入端。多路數(shù)據(jù)采集輸入通道的結構圖1.4所示。圖1.4多路數(shù)據(jù)采集輸入通道結構注：緩慢變化信號和直流信號，采樣保持電路可以省略。1.1.2 A/D轉換器的選取1.轉換時間的選擇轉換速度是指完成一次A/D轉換所需時間的倒數(shù)，是一個很重要的指標。A/D轉換器型號不同，轉換速度差別很大。通常，8位逐次比較式ADC的轉換時間為100us左右。由于本系統(tǒng)的控制時間允許，可選8位逐次比較式

18、A/D轉換器。2.ADC位數(shù)的選擇A/D轉換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。要求精度為0.5%。對于該8個通道的輸入信號，8位A/D轉換器，其精度為輸入為05V時，分辨率為A/D轉換器的滿量程值 ADC的二進制位數(shù)量化誤差為ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉換器，包括一個8位的逼近型的ADC部分，并提供一個8通道的模擬多路開關和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設計提供了很大的方便。用它可直接將8個單端模擬信號輸入，分時進行A/D轉換，在多點巡回監(jiān)測、過程控制等領域中使用非常廣泛,所以本設計中選用該芯片作為A/D轉換電路的核心。1.2 控制與顯示方法分析用單片機作為這一控制系統(tǒng)的

19、核心，接受來自ADC0809的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過串口傳送，由于系統(tǒng)功能簡單，鍵盤僅由兩個開關和一個外部中斷端組成，完成采樣通道的選擇，單片機通過接口芯片與LED數(shù)碼顯示器相連，驅動顯示器顯示相應通道采集到的數(shù)據(jù)。1.2.1 單片機系統(tǒng)分析1.復位電路 單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器CPU以與其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。51的RST引腳是復位信號的輸入端。復位電平是高電平有效，持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。本系統(tǒng)中單片機時鐘頻率為6MHz則復位脈沖至少應為4us。方案一：上電復位電路上電瞬間，RST端的的電位與Vcc一樣，隨著電容的逐步充電，充電電流減

20、小，RST電位逐漸下降。上電復位所需的最短時間是振蕩器建立時間加上二個機器周期，在這段時間里，振蕩建立時間不超過10ms。復位電路的典型參數(shù)為：C取10uF,R取8.2k,故時間常數(shù)圖1.5上電復位=RC=10108.210=82ms以滿足要求。方案二.外部復位電路按下開關時，電源通過電阻對外接電容進行充電，使RES端為高電平，復位按鈕松開后，電容通過下拉電阻放電，逐漸使RET端恢復低電平。圖1.6外部復位方案三：上電外部復位電路 典型的上電外部復位電路是既具有上電復位又具有外部復位電路，上電瞬間，C與Rx構成充電電路，RST引腳出現(xiàn)正脈沖，只要RST保持足夠的高電平，就能使單片機復位。一般取

21、C=22uF，R=200,Rx=1k,此時=2210110=22ms圖1.7外部上電復位當按下按鈕，RST出現(xiàn)5=4.2V時，使單片機復位。2.振蕩源 在MCS-51部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1(19)、XTAL2(18)分別是此放大器的輸入端和輸出端。方案一：部方式與作為反饋元件的片外晶體或瓷諧振器一起組成一個自激振蕩器。方案二：外部方式 外部振蕩器信號的接法與芯片類型有關。CMOS工藝的MCU其XTAL1端接外部時鐘信號，XTAL2端可懸空。HMOS工藝的MCU則XTAL2端接外部時鐘信號，XTAL1端須接地。在MCS-51單片機系列芯片中，用8051或8751

22、芯片可以構成最小系統(tǒng)。因為8051和8751是片有ROM/EPROM的單片機，用這種芯片構成的單片與最小系統(tǒng)簡單、可靠。8051構成的最小系統(tǒng)特點：受集成度所限，只能用于小型控制單元。有可供用戶使用的大量的I/O口線。僅有芯片部的存儲器，故存儲器的容量有限。8051的應用軟件要依靠半導體掩膜技術植入，適于在大批量生產(chǎn)的應用系統(tǒng)中使用。1.2.2 顯示與鍵盤分析 對系統(tǒng)發(fā)出命令和輸出顯示測量結果，主要是由鍵盤和LED數(shù)碼顯示器組成。緩慢變化信號和直流信號，要求用數(shù)碼管適時地進行十進制顯示，由于精度要達到0.5%，所以這里用5只LED數(shù)碼顯示器來表示該十進制數(shù)，用兩只七段數(shù)碼顯示器表示通道號。為實

23、現(xiàn)通道的選取，用鍵盤實現(xiàn)控制功能。1譯碼方法用單片機驅動LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。方案一：硬件譯碼硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件完成，CPU只要送出標準的BCD碼即可，硬件接線有一定標準。方案二：軟件譯碼 軟件譯碼是用軟件來完成硬件的功能，接線靈活，顯示段碼完全由軟件來處理，是目前常用的顯示驅動方式。2顯示方法 在該單片機系統(tǒng)中，使用7段LED顯示器構成8位顯示器，段選線控制顯示的字符，位選線控制顯示位的亮或暗。方案一：靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示，顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不用再管，直到下

24、一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次數(shù)據(jù)。編程容易，管理簡單，顯示亮度高，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間。但引線多，線路復雜，硬件成本高。方案二：動態(tài)顯示動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會有閃爍感，占用的CPU時間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的硬件較多；動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。當顯示裝置中有多個多段LED時，通常采用動態(tài)掃描驅動電路，節(jié)省開銷。3顯示接口芯片的選擇方案一：8279接口芯片8279是Intel公司的通用可編程鍵盤和顯示器

25、接口電路芯片，部有顯示RAM。8279可以實現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器的動態(tài)顯示。從而大大節(jié)省了CPU處理鍵盤和顯示器的時間，提高了CPU的工作效率。另外，8279與單片機的接口簡單，顯示穩(wěn)定，工作可靠。但8279所需外圍元件多（顯示驅動、譯碼等）、命令字多，調(diào)試困難，占用電路板面積大、綜合成本高，在中小系統(tǒng)中常常大材小用。方案二：8155接口芯片采用并行口擴展芯片擴展并行口的方法來設計顯示系統(tǒng)。用做顯示系統(tǒng)的傳統(tǒng)的芯片有8155、8255、8279等。這種方式的優(yōu)點是速度快，顯示數(shù)據(jù)簡單。缺點是，占用單片機口線多。如用8155，其部集成有：256個字節(jié)的SRAM

26、、一個14位二進制減法計數(shù)器和3個并行端口PA、PB和PC。但此方案同樣需要驅動顯示，同時顯示掃描還需占用CPU大量時間。但為設計的簡單化帶來方便，所以采用該芯片作為顯示接口芯片，A口為位選線，B口為段選線。4鍵盤電路的確定為了在控制系統(tǒng)中完成采集通道的選擇，還需要為該系統(tǒng)設置鍵盤。由于功能要求簡單，僅用兩個按鍵即可完成選擇功能，降低了系統(tǒng)的硬件開銷，軟件處理簡單。1.3 傳輸方式分析1.傳輸方式的選擇串行通信有同步和異步兩種工作方式。方案一：同步方式要求發(fā)送與接受保持嚴格同步，由于串行傳輸逐位按順序進行，為了約定數(shù)據(jù)是由哪一位開始傳輸，需設定同步字符。此方式傳輸速度快，但硬件復雜。方案二：異

27、步方式，規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸格式，每個數(shù)據(jù)均以一樣的幀格式傳送，每幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶效驗位和停止位組成。幀與幀間用高電平分隔開，但每幀均需附加位，降低了傳輸效率。異步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。對硬件的要求低，實現(xiàn)起來比較簡單、靈活，適用于數(shù)據(jù)的隨機發(fā)送/接收，一般適用于509600bps的低速串行通信。2.電平轉換芯片選擇RS-232規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進行電平轉換。方案一：采用MCl488和MCl489芯片的轉換接口MCl488和MCl489芯片為早期的RS-232至TTL邏輯電平的轉換芯片，需要12V電壓，并且功耗較大，不適合用于低功耗的系統(tǒng)。方案二

28、：采用MAX232芯片的轉換接口MAX232是MAXIM公司的產(chǎn)品，包含兩路驅動器和接收器的RS-232轉換芯片。芯片部有一個電壓轉換器，可以把輸入的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的10V電壓，尤其適用于沒有12V的單電源系統(tǒng)。由于RS-232信號電平與MSC-51型單片機信號電平（TTL電平）不一致，因此采用RS-232標準時，必須進行信號的電平轉換。RS-232與TTL電平轉換芯片各有特點，此處選用MAXIM公司的MAX232芯片。1.4頻譜分析方式分析對信號進行頻譜分析，往往對其進行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度與頻譜相位。在PC機上，我們需要完成的工作一是把數(shù)據(jù)接收下來，二是存儲，三

29、是顯示、處理。1.“超級終端”方法一般Microsoft的操作系統(tǒng)如win98，win2000，winxp都帶有“超級終端”，從“附件”中選擇“通訊”，在里面就可以打開“超級終端”。菜單欄里找“屬性”，然后選擇“com1”“com2”進行連接，并對其配置，設定的規(guī)則要跟單片機設置的一樣。如波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗、停始位等。設定完成后就可以直接與單片機迸行通信，可以在工作區(qū)的白板里看到單片機傳輸來的數(shù)值。不但可以接收，還可以把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。使用簡單，若控制的程序難度不大，則用此方式方便。2.Matlab語言的設備控制箱Matlab是由美國Mathworks公司開發(fā)的面向理論分析研究、工程計算數(shù)

30、據(jù)處理和緩圖的一套具有強大功能的軟件系統(tǒng)。Mathworks公司在軟件中增加了設備控制箱(instrument control toolbox)，提供了對RS-232RS-485通信標準的串口通信的正式支持。利用該工具箱的serial類與instrcallback（）回調(diào)函數(shù)，能可靠地進行實時串地通信。具體操作是將PC機串口與單片機USART口通過MAX232電平轉換芯片相連，Matlab通過調(diào)用設備控制工具箱中的serial類與相關函數(shù)來創(chuàng)建串口設備對象，得到設備的文件句柄，從而以操作文件的方式實現(xiàn)對PC機串行口的讀寫操作。因而PC機可以通過Matlab向串行口發(fā)送特殊指令，單片機應用系統(tǒng)對

31、此作出相應的反應，將A/D采樣數(shù)據(jù)通過串行口回送給PC機。此時，Matlab通過中斷的方式，實時接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對數(shù)據(jù)的分析處理，文件存儲與圖形顯示。3.VB中使用MSComm控件VB(visual basic)是WINDOWS環(huán)境下簡單、易學、高效的可視化編程語言開發(fā)系統(tǒng)，它不但提供了良好的界面設計能力，而且在微機串口通信方面也有很強的功能。特別是它所提供的MSComm控件，功能強大，簡單易用，使得PC機與單片機等設備之間的通訊更加便捷，MSComm控件是微軟開發(fā)的專用通信控件，封裝了串口的所有功能，使用很方便，是Microsoft為簡化Windows下串行通信編程而提供的Act

32、iveX控件，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲，但要對采集數(shù)據(jù)進行頻譜分析，則需要另外的軟件進行處理，設計較復雜。4.LabVIEW實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)采集的方法LabVIEW是虛擬儀器領域中最具普適性的圖形化編程開發(fā)工具，是當前國際上應用最廣效果最佳的數(shù)據(jù)采集與控制開發(fā)軟件之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析與顯示等領域，適用于多種不同的操作系統(tǒng)。與以往的高級語言相比,LabVIEW圖形化語言編程針對的是非專業(yè)程序編制的普通工程設計人員，具有編程簡潔、直觀性強、人機交互界面友好、數(shù)據(jù)可視化分析與設備控制能力優(yōu)等特點。而其自帶的VISA子模塊，則可更方便、快捷地實現(xiàn)串口編程，完成控制機與儀器之間的連接

33、與控制的功能。我們可以利用LabVIEW的VISA函數(shù)庫中的串口VI對串口進行編程，完成對電壓的實時采集，并對采集到的電壓進行頻譜分析。小結：經(jīng)簡單的理論分析，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分核心采用ADC0809，單片機系統(tǒng)選用8051構成的最小系統(tǒng)，用LED動態(tài)顯示采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸則選用RS232標準，實現(xiàn)單片機與PC機的通信，采集到的數(shù)據(jù)在PC上利用LabVIEW進行頻譜分析。第2章 系統(tǒng)硬件設計2.1 信號調(diào)理電路信號調(diào)理的任務是將被測對象的輸出信號變換成計算機要求的輸入信號。圖2.1信號調(diào)理過程對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，設置多路選擇開關，可降低硬件開銷。如圖2.1所示，為避免小信號通

34、過模擬開關造成較大的附加誤差，在傳感器輸出信號過小時，每個通道應設前置放大環(huán)節(jié)（本文可不加以考慮）。2.2 數(shù)據(jù)采集電路把連續(xù)變化量變成離散量的過程稱為量化，也可理解為信號的采樣。 把以一定時間間隔T逐點采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個時間t，使被采集的信號變成時間上離散、幅值等于采樣時刻該信號瞬時值的一組方波序列信號，即采樣信號。2.2.1 A/D轉換的一般步驟1.采樣-保持為了能不失真的恢復原模擬信號，采樣頻率應不小于輸入模擬信號的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即 由于A/D轉換需要一定的時間，所以在每次采樣結束后，應保持采樣電壓在一段時間不變，直到下一次采樣的開始。實際中采樣-保持

35、是做成一個電路。2.量化與編碼模擬信號經(jīng)采樣-保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號在給定時刻上的瞬時值，并不是數(shù)字信號。還要把每個樣值脈沖轉換成與它幅值成正比的數(shù)字量。以上為A/D轉換的一般步驟，在本電路中由ADC0809芯片完成。2.2.2 ADC0809部功能與引腳介紹分辨率和精度在第一章中已作了相應的計算和分析。ADC0809八位逐次逼近式AD轉換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉換器、8通道轉換開關和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉換開關能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。其部結構如圖2.2所示。圖2.2 ADC0809內(nèi)部結構1.ADC0809主要性

36、能逐次比較型CMOS工藝制造單電源供電無需零點和滿刻度調(diào)整具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容易與各種微控制器接口具有鎖存控制的8路模擬開關分辨率：8位功耗：15mW最大不可調(diào)誤差小于1LSB（最低有效位）轉換時間（）128us圖2.3 ADC0809引腳轉換精度：ADC0809沒有部時鐘，必須由外部提供，其圍為101280kHz。典型時鐘頻率為640kHz2.引腳排列與各引腳的功能，引腳排列如圖2.3所示。各引腳的功能如下：IN0IN7：8個通道的模擬量輸入端?？奢斎?5V待轉換的模擬電壓。D0D7：8位轉換結果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道選擇端。當CB

37、A=000時，IN0輸入；當CBA=111時，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到部的多路開關的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。START：啟動轉換信號輸入端。從START端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動ADC0809開始轉換。脈沖寬度應不小于100200ns。EOC：轉換結束信號輸出端。啟動A/D轉換時它自動變?yōu)榈碗娖?。OE：輸出允許端。CLK：時鐘輸入端。ADC0809的典型時鐘頻率為640kHz，轉換時間約為100s。REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為5V。V、GND：供電電源端。ADC0809使

38、用5V單一電源供電。當ALE為高電平時，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在START上升沿時，所有的部寄存器清零，在下降沿時，開始進行A/D轉換，此期間START應保持低電平。在START下降沿后10us左右，轉換結束信號變?yōu)榈碗娖?，EOC為低電平時，表示正在轉換，為高電平時，表示轉換結束。OE為低電平時，D0D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時，允許轉換結果輸出。2.2.3 ADC0809與MCS-51系列單片機的接口方法ADC0809與8051單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本題中選用中斷接口方式。由于ADC0809無片時鐘，時鐘信號可由

39、單片機的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz，二分頻后為500Hz,符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0809部設有地址鎖存器，所以通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址為7FF8H7FFFH。其對應關系如表2.1所示。地址碼輸入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表2.10809輸入通道地址控制信號：將P2.7作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由單片機的寫信號和P2.7控

40、制ADC的地址鎖存和啟動轉換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號和P2.7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖2.4所示。圖 2.4 ADC0809與MCS-51的接口電路START信號和OE信號的邏輯表達式為圖2.5 ADC0809時序圖當8051通過對7FF8H7FFFH（基本地址）中的某個口地址進行一次寫操作，即可啟動相應通道的AD轉換；當轉換結束后,ADC0809的EOC端向8051發(fā)出中斷申請信號；8051通過對7FF8H7FFFH中的某個口地址進行一次讀操作，

41、即可得到轉換結果。注：ADC0809的基準電壓可通過基準電壓芯片供給，如MAX875,可供給5V基準電壓2.4 控制器、振蕩源和復位電路復位即回到初始狀態(tài)，是單片機經(jīng)常進入的工作狀態(tài)。單片機振蕩電路的振蕩周期和時鐘電路的時鐘周期決定了CPU的時序。1復位電路圖2.6電外部復位電路 單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的。無論是HMOS還是CHMOS型，在振蕩器正運行的情況下，RST引腳保持二個機器周期以上時間的高電平，系統(tǒng)復位。在RST端出現(xiàn)高電平的第二個周期，執(zhí)行部復位，以后每個周期復位一次，直至RST端變低。本文采用上電外部復位電路，如圖2.6，相關參數(shù)為典型值。2.振蕩源圖2.7 內(nèi)部振蕩器方式

42、部方式時鐘電路如圖2.7所示。外接晶體以與電容、構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，一般晶振可在1.212MHz之間任選。對外接電容值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。外接晶體時，和通常選30pF左右；外接瓷諧振器時，和的典型值為47pF。2.5 鍵盤與顯示電路1.鍵盤鍵盤由一組常開按鍵開關組成。鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括與時發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，并作相應的處理。圖2.8 鍵盤硬件邏輯本系統(tǒng)中采用中斷方式的開關代替鍵盤，完成采集通道的選擇。硬件邏輯如圖2.8所示。2.顯示顯示部分為8個共陰極的七段LED顯示器，

43、8個七段LED的adp字段的引腳分別由8個OC門同相驅動器驅動。OC門驅動器用7407，當7407輸出低電平時，沒有電流流過LED，當7407輸出為開路狀態(tài)時，電流經(jīng)100限流電阻流入LED顯示器，每個七段LED的公共端都接一個反相驅動器，反相驅動器使用75452，當某一字段需要亮時，該LED公共端的反相驅動器必須是低電平輸出，并且這一字段的同相驅動器必須是高電平輸出。單片機通過8155接口芯片的A口位選，經(jīng)B口確定那些字段LED發(fā)光。LED發(fā)光時，驅動電流計算如下，每一字段脈沖電流LED正向壓降晶體管的飽和壓降公共端最大電流原理圖如圖2.9所示圖2.9 顯示電路原理圖2.6 通信電路51單片

44、機有一個全雙工的串行口，所以單片機和PC之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通信時要滿足一定的條件，如PC的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，這里用專用芯片MAX232進行轉換，用專用芯片更簡單可靠。MAX232如圖2.10所示。它包含兩路接收器和驅動器，部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電壓變換位RS-232輸出電平所需的+10V電壓。所以，用該芯片接口的串行通信只需單一的+5V電源就可以了。其應用性更強。圖2.10（b）中上半部電容、與，是電源變換部分。實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，對地需要加去耦電容，其值為1.0uF。

45、電容、取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力。(a)(b)圖2.10 MAX232引腳圖和電容典型參數(shù)圖2.10（b）下半部分為發(fā)送和接收部分，可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串行發(fā)送端TXD；,可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串行接受端RXD；，可直接接PC機的RS-232串口接受端RXD；,可直接接PC機的RS-232串口發(fā)送端TXD。硬件原理圖如圖2.11所示。圖2.11 通信接口電路串口通信的硬件連接采用三線制連接串口，就是說和PC的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，但是對本題來說已

46、經(jīng)足夠了，MAX232的第11腳和單片機的11號引腳連接，第12腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。MAX232的第14腳和PC機串口的2號引腳連接，第13腳和PC機串口的3號引腳連接，第15腳和PC機串口的5號引腳連接。第3章 軟件設計整個系統(tǒng)軟件設計分為兩個部分，作為主控的PC端的軟件設計與作為數(shù)據(jù)采集器的單片機終端節(jié)點的軟件設計。系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實現(xiàn)，主要的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集、標度變換、數(shù)值顯示、發(fā)送、接收和部分中斷子程序。主程序流程圖如圖3.1所示。開始系統(tǒng)初始化調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序取相應通道數(shù)據(jù)調(diào)用數(shù)據(jù)顯示子程序調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序圖3.1 主程

47、序流程圖3.1 A/D轉換中斷方式使用EOC信號作為向8051的中斷申請。在主程序中，向ADC發(fā)出首次啟動轉換信號后，并計數(shù)管理轉換通道數(shù)。當檢測到EOC的請求后，轉去執(zhí)行中斷服務程序，讀取轉換結果，并啟動下一次轉換，后繼續(xù)執(zhí)行。圖3.2為A/D轉換程序流程圖。YN開始定義A/D轉換緩沖區(qū)首地址開中斷置通道數(shù)置DPTR啟動轉換等待中斷各通道采完？中斷處理返回關中斷 圖3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖開始取轉換量存入A/D轉換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通道號+1緩存單元地址+1通道數(shù)-1啟動下次轉換返回圖3.3 數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖3.2 標度變換該單片機系統(tǒng)中，被測量經(jīng)過A/D轉換，均統(tǒng)一為0255二進制碼，因此

48、要把A/D轉換的數(shù)碼X變換成被測量的實際數(shù)值。開始定義標度變換緩沖區(qū)R0指向A./D轉換緩沖區(qū)標度變換變換完畢？返回NY圖3.4 標度變換程序流程圖3.3 鍵盤程序鍵盤部分軟件主要功能是實現(xiàn)對通道號指示緩沖區(qū)的數(shù)值進行增或減，從而控制通道的選擇。開始 PSW,ACC壓棧保護按鍵2中斷(通道減)按鍵1中斷（通道加）PSW,ACC出棧P1.0=1?P1.1=1?返回YYNNP1.1=1? 圖3.5鍵盤中斷程序流程圖3.4 LED顯示程序開始返回指向A口取位選碼指定顯示位指向B口取顯示字符查七段碼段選碼B口送出調(diào)用1ms延時子程準備顯示下一位位選YN8位顯示完畢？圖3.6 LED顯示程序流程圖將部R

49、AM中30H38H單元中的8個采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)LED顯示出來，所顯示的通道數(shù)據(jù)由鍵盤部分決定，編制的程序如下：3.5 通信程序3.5.1下位機程序(1)接收中斷處理程序接收中斷處理程序主要負責接收微機發(fā)送到單片機接收緩沖區(qū)(不對數(shù)據(jù)進行處理，以減少中斷占用的時間)的數(shù)據(jù)，當接收到規(guī)定的字符數(shù)或在一定等待時間無后續(xù)數(shù)據(jù)之后，置接收完畢標志，以表明接收緩沖區(qū)中有待處理的數(shù)據(jù)并請求通信處理程序對其進行處理。其流程圖如圖3.7所示接收斷點入口斷點保護讀字符到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否接收完指定字符？置接收完標志Y關閉接收定時器斷點回復N重新設置啟動接收定時器返回斷點圖3.7接收子程序流程圖(2)發(fā)送中斷處理程序發(fā)送中

50、斷處理程序主要負責向微機發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送中斷一般處于禁止狀態(tài)，只有在通信處理程序將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入單片機的發(fā)送緩沖區(qū)，并將發(fā)送中斷置為允許方式后，發(fā)送中斷才開始工作，并將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)逐一發(fā)送給微機。當發(fā)送完指定長度的數(shù)據(jù)后(發(fā)送緩沖區(qū)為空)，發(fā)送中斷處理程序將發(fā)送中斷置為禁止(關閉)狀態(tài)，直到通信處理程序將其再一次開放。其流程如圖3.8所示。發(fā)送斷點入口斷點保護發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)是否為空？發(fā)送下一字符N發(fā)送緩沖區(qū)字符減斷點恢復返回斷點發(fā)送中斷關閉Y圖3.8發(fā)送子程序流程圖3.5.2上位機LabVIEW程序PC 機軟件部分主要完成向單片機發(fā)送命令、接收單片機發(fā)送來的數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行濾波、頻譜分析和保存

51、的功能。在本系統(tǒng)中,調(diào)用了LabVIEW中功能模板的VISA 中的Serial 系列(包括VISA Configure Serial 、VISA Write 、VISARead、VISA Close) 來實現(xiàn)PC 機和單片機的通訊。數(shù)據(jù)處理和保存部分分別由功能模板中的Singal Processing 和File I/ O 系列完成。程序的前面板界面圖如圖3.9所示，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，程序流程圖如圖3.10所示。 圖3.9 程序的前面板界面圖 圖3.10 程序流程圖結論通過對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)某醪窖芯?，?051、ADC0809、PC機和一些相關接口建立起這樣一個基于單片機的數(shù)據(jù)采集和傳輸

52、系統(tǒng)的硬件平臺，配合相應的軟件實現(xiàn)對8路模擬量的采集與傳輸，并對所采集的信號進行頻譜分析。由于時間，水平有限本論文還有許多部分未能詳細分析，在此僅作簡單了解和認識。信號采集過程中，被測量一般由傳感器供給，常為微弱信號，需要對其進行適當?shù)恼{(diào)整。由于此處輸入信號滿足A/D轉換器的輸入要求，所以本文并為詳細討論。但在實際工程設計中必不可少。信號調(diào)理的任務就是將被測對象的輸出信號變換成計算機要求的輸入信號。信號調(diào)理包括：阻抗匹配、放大電路、隔離電路、濾波等。a.阻抗匹配放大電路與傳感器之間往往存在阻抗不匹配的現(xiàn)象，信號要進入A/D轉換器也存在阻抗匹配問題，阻抗不匹配會使信號在傳輸過程中嚴重畸變，導致嚴

53、重檢測誤差，調(diào)理過程中必須十分注意阻抗匹配問題，一般阻抗匹配可以由運放組成的跟隨器完成。b.信號放大電路信號放大電路是信號調(diào)理電路的核心，一般傳感器輸出的物理信號量幅值很小，需要通過放大調(diào)理電路來增加分辨率和敏感性，將輸入信號放大為A/D轉換所需要的電壓圍，為了獲得盡可能高的精度，應將輸入信號放大至與ADC量程相當?shù)某潭?。c.信號隔離電路隔離是指使用變壓器、光電耦合或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)中與測試系統(tǒng)之間傳輸信號，避免直流的電流或電壓的物理連接的一種手段。（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所監(jiān)測的設備可能會有高壓瞬變現(xiàn)象，足以使計算機與數(shù)據(jù)采集板損壞，隔離可使傳感器信號與計算機隔離開，使系統(tǒng)安全得到保障。（

54、2）保證數(shù)據(jù)采集各個環(huán)節(jié)間不受地電位或共態(tài)電壓差異的影響，從而影響測試精度，這是因為在采集信號時，都需要以“地”為基準，如果在兩“地”之間存在電位差，就可能導致地環(huán)路產(chǎn)生，從而導致所采集的信號再現(xiàn)不準確，若這一電位差太大，可能危機測量系統(tǒng)的安全，利用隔離電路的信號模塊可以消除地環(huán)路，并保證準確的采集信號。模擬信號的隔離比數(shù)字信號的隔離難度大的多，成本高，常用的方法有：采用線性光耦或兩個特性幾乎完全接近的普通光耦用特殊的電路實現(xiàn)，另外，直接采用具有隔離作用的儀表放大器也行。d.信號濾波：幾乎所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會不同程度的受到來自電源線或機械設備的50Hz噪聲干擾，因此大多數(shù)信號調(diào)理電路包含低通

55、濾波器，最大限度的剔除50Hz或60Hz的噪聲。交流信號（如振動）則往往需要防混淆濾波器，防混淆濾波器是一種低通濾波器，具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于采集板輸入信號帶寬的信號全部剔除；若不除去，這些信號將會錯誤的顯示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入帶寬的信號。本文采用RS-232標準實現(xiàn)單片機與PC機間的通信。RS-232是目前最常用的一種串行通訊接口。由于RS-232-C接口標準出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要表現(xiàn)在：1.接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容,故需使用電平轉換電路才能與TTL電路連接。2、傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps。3、接口使

56、用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。4、傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。因此建議使用RS-485標準實現(xiàn)，RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。參考文獻1 徐愛卿,涵芳，盛煥鳴.單片微型計算機應用和開發(fā)系統(tǒng).航空航天大學,1992年2 鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊 數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊.航空航天大學,1998年3 何立民,余永權,小青，林康. 單片機應用系統(tǒng)的功率接口.航空航天大學,1992年4 毅剛,喜元,孟升衛(wèi)，兆慶. MCS-5

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60、X0 SETB EA MOVX DPTR,A ;啟動ADCLJMP $ LJMP HUAN ACALL KEXAM ;查詢按鍵 JNZ ADC ACALL D10ms ACALL KEXAM JNZ ADC SETB P1.1 SETB P1.3 CLR P1.2 MOV A,P1 ANL A,#02H CJNE A,#02H,START AJMP ADCKEXAM:SETB P1.1CLR P1.2CLR P1.3 MOV A,P1ANL A,#02H ;0000 0010 RETDSP1:MOV R0,#30HMOV R1,#40H MOV R2,#3L0:MOV R1,#0 ACALL