【多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計及仿真實現(xiàn)（論文）5500字】

緒論1.1研究背景今天，隨著科技的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及集成電路技術(shù)也得到了較大程度的進步，當前在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)領(lǐng)域以及普遍應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，而且在該技術(shù)的科學研究，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)制造等各個領(lǐng)域都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)云計算平臺的不斷發(fā)展，不同領(lǐng)域思維方式開始出現(xiàn)創(chuàng)新性發(fā)展，同時從軟硬件等方面針對系統(tǒng)的開發(fā)也獲得了較大的進步?，F(xiàn)代科學和技術(shù),才會有各個領(lǐng)域都開始的數(shù)據(jù)收集和交換信息,在研究和應(yīng)用程序的過程中逐漸增加的數(shù)據(jù)收集的環(huán)節(jié),要求收藏數(shù)據(jù)信息更高速的處理和更多的事情,外圍擴展的電路的功能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集的工具相對簡單的活動,收集的數(shù)量、速度并不快,依賴于計算機軟件分析不同的區(qū)域在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中,連通性和可開發(fā)性都不強。一個完整的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，不僅可以單獨收集數(shù)據(jù)，而且可以在高速公路上同步處理數(shù)據(jù)，還可以相互通信，并將其擴展到其他外圍設(shè)備，形成一個完整的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，甚至可以將數(shù)據(jù)下載到網(wǎng)絡(luò)平臺上，共享云信息。1.2研究目的和意義廣泛的計算機應(yīng)用現(xiàn)在在許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用。它是計算機和物理之外世界之間的橋梁。利用系列或紅外線通信，實施應(yīng)用于移動數(shù)據(jù)收集者的軟件更新，并通過建立上泰瑟槍和移動數(shù)據(jù)收集器的通信協(xié)議，實現(xiàn)這兩種之間的通信相互干擾。工業(yè)、工程、工廠等的應(yīng)用，特別是在高數(shù)據(jù)收集環(huán)境中。例如，在許多工業(yè)生產(chǎn)和科學研究技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)經(jīng)常使用計算機或無線電控制。有很多地方可以收集所有的數(shù)據(jù)，比如液體、溫度、壓力、頻率等等。衛(wèi)星數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)使用遙測、遙控器和其他技術(shù)，對宇宙飛船最遠的位置進行監(jiān)控，并通過衛(wèi)星傳送到數(shù)據(jù)中心進行自動成像。計算機技術(shù)為電子技術(shù)規(guī)模比較小的計算機以及數(shù)字通信技術(shù)等得到了很大程度的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)推動了高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進步，同時也對該技術(shù)的開發(fā)產(chǎn)生了非常大的影響。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國家和國際兩級的數(shù)據(jù)收集技術(shù)被廣泛用于軍事、航空航天設(shè)備、工業(yè)、運輸、醫(yī)藥等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)是具有不同功能的傳感器和轉(zhuǎn)換器/d)在收集電路的前端，然后通過電路放大、過濾等方式存儲器數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，然后通過計算機控制器處理數(shù)據(jù)。隨著半導(dǎo)體行業(yè)和集成電路設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了性能性能、低功率、高可靠性數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集卡。數(shù)據(jù)收集技術(shù)已成為一種專門技術(shù)，通過與新技術(shù)相結(jié)合而得到發(fā)展和應(yīng)用。在這一階段上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)比組裝模塊先進，并靈活地修改或擴大該系統(tǒng)，同時考慮到設(shè)計者對應(yīng)用的需要，對模塊進行簡單的改動、升級或配置，并與該系統(tǒng)的不同方案編制模式結(jié)合起來。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)已經(jīng)開始加速、建模、使用遠程通信和進入，甚至是當領(lǐng)域范圍更廣闊時，也能夠通過互聯(lián)網(wǎng)進行互連接，例如PXI系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)等。因為其他國家在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展對我國產(chǎn)生了較大的影響，因此在我國發(fā)展該技術(shù)的過程和其他國家是近乎相同的，但是因為相較于世界上其他的發(fā)達國家，在原材料以及技術(shù)方面，我國仍然與之差距較大。當前我國收集系統(tǒng)仍然達不到全球水平。1.4本次設(shè)計的概述及目的在此次設(shè)計中，使用單片機為微處理器作為控制核心，選擇了兩種不同規(guī)格傳感器，同時采集三路數(shù)據(jù)，溫度數(shù)值實時顯示在液晶顯示器上。為了驗證系統(tǒng)的可行性，測量溫度是最簡單、最直接的策略，在系統(tǒng)整體設(shè)計完成后，就可以通過傳感器實時測量環(huán)境溫度，通過比較獲得的溫度值，是系統(tǒng)的最佳驗證。由于之前使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常具有較低的采樣速度，而且在運行過程中穩(wěn)定性不夠，操作過程比較復(fù)雜，投入的成本較高等存在一系列缺陷，因此在本設(shè)計中主要針對這些缺陷進行解決，本課題設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于新型系統(tǒng)的一種。2多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案在能夠達到對多種接口傳感器進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)中，傳感器與主機之間有多種通信方式，通過自己在研究課題和查閱資料后，最終選擇了采用了兩種不同通信規(guī)格的傳感器有1-wire總線接口的DS18b20芯片和IIC總線接口的LM35芯片。其主控制系統(tǒng)通過著名的微控制器進行控制采集，將得到的信息通過液晶屏進行顯示，將這兩大模塊組合相互使用起來，就可以通過通信規(guī)格不同的傳感器進行數(shù)據(jù)采集。該模塊主要功能實現(xiàn)原理如表2.1所示。表2.1模塊的主要功能及實現(xiàn)方法當更換傳感器時，系統(tǒng)不需要為主計算機編制新的控制系統(tǒng)程序。它可以與新連接的傳感器通信，完成傳感器的基本功能。這樣就允許了新連接的傳感器和主機之間的通信。2.2傳感器的應(yīng)用模塊在電子信息時代，信息收集是一個重要的話題，為了彌補信息收集的不足，傳感器的電子元件得到了發(fā)展。傳感器是一種檢測設(shè)備，可以將測量的信息轉(zhuǎn)換成所需的輸出形式。為了更便捷地使用傳感器，研究人員在傳感器內(nèi)部增加了存儲器和定時器等多個功能模塊。傳感器雖然有很多種，但其接口的總線規(guī)格限制了傳感器的通信方式。如表2.2所示的通信總線規(guī)格。表2.2通信總線規(guī)格如表2.2的通信規(guī)格，RS-232在計算機中的使用是多接口的，因此，為了更方便地執(zhí)行設(shè)計功能，將選擇另外兩種總線規(guī)格的傳感器與主機進行通信，并設(shè)計傳感器。隨著智能時代的到來，傳感器的發(fā)展已經(jīng)不再是簡單的信息收集，隨著智能設(shè)備的進化，傳感器被賦予了更多的功能，這為傳感器的發(fā)展打開了新的突破口。該智能傳感器是將微處理器以及傳感器兩者相互結(jié)合，同時該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能比較多，例如處理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自我診斷，完成邏輯判斷等。傳感器的發(fā)展不簡單是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，更是建立新的產(chǎn)業(yè)模式、改變世界面貌的可能。2.3多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計框圖本論文完成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制器為，其型號為STC89C52，同時結(jié)合應(yīng)用型號為DS18b20傳感器以及型號為LM35的溫度傳感器，LM35傳感器用PCF8591采集此端口數(shù)據(jù)，然后用IIC通信方式與單片機通信，DS18b20傳感器則用1-wire數(shù)字總線方式進行通信，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C，再用LCD1602液晶顯示器實時顯示結(jié)果的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2.1是此系統(tǒng)的設(shè)計的系統(tǒng)框圖。IIC1-wireIIC1-wire圖2.1系統(tǒng)設(shè)計框圖2.4本章小結(jié)本章通過介紹該系統(tǒng)設(shè)計要用到的各個部分主要器件包括總線接口、溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、單片機和顯示器以及應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)和實現(xiàn)多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理設(shè)計框圖。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1STC89C52單片機系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52型單片機為控制器，其內(nèi)部有8位中央處理器（CPU）、Flash閃存存儲器的容量為4k、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的容量為128Byte、輸入輸出接口的數(shù)量為32個，只有一個串行通信接口，為全雙工通信方式，定時器計數(shù)器都為16位，共有2個，兩級向量中斷結(jié)構(gòu)共有5個，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路REF_Ref18043\r\h[1]。為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活高效的解決方案。其引腳接口圖3.1所示。圖3.1STC85C52引腳圖3.2PCF8591PCF8591存在串行的IIC總線接口共有一個，模擬量輸出接口共有一個，模擬量輸入接口共有四個。該芯片的外部引腳中A0，A1和A2屬于地址引腳，能夠進行硬件地址的編程，對于同一個IIC總線，能夠允許8個此器件共同連接在上面，而且不需要借助于其他的硬件。在PCF8591器件上所有的信號的傳輸都是借助于雙線雙向IIC總線，而且傳輸?shù)姆绞綖榇蠷EF_Ref18258\r\h[2]。其引腳圖如3.2所示。圖3.2PCF8591引腳圖3.3LCD液晶顯示屏該型號的液晶顯示屏屬于字符型，能夠?qū)ψ址?，字母以及?shù)字等進行顯示，LCD液晶顯示器選擇軟封裝的方式，引腳上可以劃分成控制引腳，電源引腳以及通信數(shù)據(jù)引腳三個部分，全都為標準的SIP16引腳，能夠和單片機直接進行連接，更加方便REF_Ref18376\r\h[3]。如圖3.3所示，為該顯示屏的引腳圖。圖3.3LCD引腳圖3.4傳感器模塊相較于傳感器的選擇，本著節(jié)約成本和容易實現(xiàn)的想法，在眾多的傳感器中選取兩個典型的傳感器，并對其進行驗證和實現(xiàn)，選擇出的溫度傳感器的型號分別為LM35和DS18B20溫度傳感器，本設(shè)計將選用功能相同，其通信接口規(guī)格不同的傳感器進行數(shù)據(jù)采集。3.4.11-wire接口傳感器溫度傳感器DS18B20在封裝時可以使用不同種類的形式，該傳感器輸出的型號為數(shù)字型，信號自身體積更小，而且在抵抗外部影響的方面具有更強的能力，除此之外采集溫度的分辨率更高，在硬件方面投入的成本較少REF_Ref18477\r\h[4]。當1-wire總線接口與主機連接時，主機與1線總線可以進行雙向通信。通過了解芯片的命令部分，可以更好地使用芯片，如表3.4.1為該傳感器的部分指令。表3.1傳感器指令寄存器的溫度值由命令0x33讀取，然而此時讀取的并不是真正的溫度值，若經(jīng)過讀取獲取的數(shù)據(jù)為負值，那么對該數(shù)據(jù)的補數(shù)之后再與0.625進行相乘，就是溫度的實際值，如果為正，則實際溫度為該數(shù)據(jù)乘以0.625。圖3.4.1是1-wire通信規(guī)格的DS18B20的硬件連接圖圖3.4.11-wire規(guī)格的硬件連接圖3.4.2IIC接口傳感器LM35傳感器的線性工作期間比較寬，同時具有更高的工作精度，溫度和其輸出電壓之間具有正比例關(guān)系，當溫度升高1℃，相對應(yīng)的輸出電壓就會提高10ms.LM35傳感器不需要從外部進行校準，能夠提供的常用室溫精度為±1/4℃REF_Ref18627\r\h[5]。因為傳感LM35沒有IIC的通信接口，所以要通過PCF8591進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再由IIC方式進行通信。LM35溫度傳感器的計算公式：PCF8591的通信格式如表3.4.2所示：表3.2PCF8591通信格式IIC方式的通信格式分為兩種，一種是主機寫數(shù)據(jù)到從機，另一種是主機從從機中讀取數(shù)據(jù)，分別如表3.4.3和表3.4.4所示表3.3IIC寫數(shù)據(jù)到從機的通信格式表3.4IIC從從機中讀取數(shù)據(jù)的通信格式3.5顯示模塊設(shè)計溫濕度傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)之后傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機接收并經(jīng)過處理后，將該數(shù)據(jù)借助于液晶顯示屏完成顯示。在設(shè)計中應(yīng)用比較普遍的液晶屏幕就是LCD1602，該液晶顯示屏選擇使用的是點陣型液晶，分辨率較高而且驅(qū)動上更加便利，能夠顯示不同類型的內(nèi)容REF_Ref18702\r\h[6]。如圖3.5所示是該模塊的部分顯示電路。圖3.5LCD1602部分顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真實現(xiàn)4.1主程序設(shè)計整個控制程序中，當連接到主機感應(yīng)到的傳感器時，主機可以簡單的識別端口的接收命令，用相應(yīng)傳感器的功能處理信息，然后通過LCD1602顯示出來。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)各模塊流程4.2.11-wire接口傳感器軟件設(shè)計在軟件部分首先要初始化芯片DS18b20并對總線接口進行處理，讀寫功能如圖4.2.1為該系統(tǒng)的流程圖。圖4.2.11-wire接口溫度傳感器接入及處理當主機發(fā)現(xiàn)DS18B20端口接入時，啟動溫度檢測程序。進行DS18B20芯片的初始化。初始化成功時返回1，失敗時返回0。主機跳過ROM，讀取溫度，處理，在IO端口顯示。4.2.2IIC接口傳感器軟件設(shè)計當上位機識別出DS18B20不存在時，LM35傳感器跳過調(diào)用DS18B20芯片的處理功能，處理并顯示LM35溫度傳感器。經(jīng)過PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再由IIC方式進行通信。如圖4.2.2為LM35傳感器的軟件流程圖。圖4.2.2IIC接口傳感器接入與處理主機在檢測到LM35溫度傳感器后，接收由器件發(fā)送的地址信號，將由器件向主機發(fā)送溫度操作命令，通過PCF8591進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讀取溫度并進行相應(yīng)的處理，送至顯示端口。4.3系統(tǒng)仿真4.4本章小結(jié)在本章中主要針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計部分進行講解，首先是軟件設(shè)計的流程，之后再對系統(tǒng)仿真進行介紹，通過流程圖和仿真實現(xiàn)可以更好的了解該系統(tǒng)的工作過程。5結(jié)論5.1總結(jié)本設(shè)計介紹了用于通信通信規(guī)范的傳感器控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。仿真軟件部分主要由KeiluVision5和Proteus8專業(yè)軟件平臺C組成。這個項目的基本檢查已經(jīng)完成。項目一開始是在兩種不同通信規(guī)范的外部傳感器非同步/獨立連接的情況下顯示通信控制，并顯示所收集的數(shù)據(jù)。通過模擬試驗，開發(fā)系統(tǒng)中的1-wire和IIC總線接口能夠通過單獨的傳感器互連來實現(xiàn)上述功能。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過實驗驗證的研究試圖獲得對這三種具有不同通信規(guī)范的傳感器的自動識別和自動控制。實驗和研究結(jié)果表明,如果使用51或52單片機這樣的簡單控制器來實現(xiàn)對多種通信規(guī)格的外接傳感器進行自動檢測識別，繼而實現(xiàn)多傳感器的自適應(yīng)控制尚有困難，特別是單純通過軟件編程是無法實現(xiàn)的。5.2展望本次設(shè)計研究表明，僅靠51或52微控制器和軟件程序是不可能實現(xiàn)只支持多種傳感器自動檢測的控制系統(tǒng)的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最終功能。在微機上連接周邊硬件電路，通過軟件進行編程，同時還可以選擇更高級的arm系列主控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的自校驗行和適應(yīng)性。

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