基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

1、本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì) 系部名稱： 電子工程系 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 B04-37 班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講 師 黑黑 龍龍 江江 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 二八年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Multi-channel Data Acquisition System Based on MCU Candidate: Zhang Zhaopeng Specialty: Electrical Engineering and Automation Class: B0

2、4-37 Supervisor: Lecturer Shang Jin Heilongjiang Institute of Technology 2008-06Harbin 摘 要 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越寬、所涉及到的測量信號(hào)和信號(hào)源的類型越來越 多、對測量的要求也越來越高，國內(nèi)現(xiàn)在已有不少數(shù)據(jù)測量和采集的系統(tǒng)，但很多系 統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜、并且對測試環(huán)境要求較高等 問題。人們需要一種應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 本文在分析了不同類型的單片機(jī)的特點(diǎn)及單片機(jī)與 PC 機(jī)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè) 計(jì)了單片機(jī)控制的采集系統(tǒng)，并通過串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)

3、之間的通信，實(shí)現(xiàn) 將數(shù)據(jù)傳送到 PC 機(jī)上，完成了單機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將來自傳感器的信號(hào)通過放大、線性化、濾 波、同步采樣保持等處理后，輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由單片機(jī)采集，然 后利用 RS-232 串口通信將數(shù)據(jù)送到 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、后期處理與顯示，實(shí)現(xiàn) 了數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、顯示直觀、界面友好、性價(jià)比高、應(yīng)用廣泛的特點(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。 關(guān)鍵詞：多通道；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)；通信；串行接口 ABSTRACT The application rage of data acquisi

4、tion system is becoming wide increasingly, the types of measurement signal and signal source are also more and more, Surveyors also require much higher measure requirements. Domestic now have a lot of date acquisition and measure systems, but there are many systems involving these issues: single fun

5、ction, less collection access, low collection rate, high demands of collection test environment and so on. So people require a broad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system. Based on the analysis of the characteristics of different types of SCM and communication t

6、echnology between SCM and PC, this paper designs collection system based on SCM, completes communication between SCM and PC by serial communication .then the paper finishes multi-channel acquisition system based on SCM by communicating data to PC. Multi-channel acquisition system based on SCM can pr

7、ocess signal from sensor by amplification, liner filtering. After processing maintain synchronous sampling, which converted to digital signal input A/D conversion by SCM Acquisition, Then, sending the data to PC by RS-232. The data can be stored, processed and displayed. So a wide range of features

8、can be widely used in industrial control equipment, instruments, and electrical engineering integration, intelligent home and many other fields. Key words: Multi-Channel; Data acquisition; MCU; Communication; Serial interface 目 錄 摘要.I Abstract.II 第 1 章 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理的發(fā)展趨勢.

9、2 1.2.2 國內(nèi)外數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用現(xiàn)狀.3 1.3 課題研究的主要內(nèi)容.4 第 2 章 單片機(jī)的多通道采集技術(shù).5 2.1 單片機(jī)技術(shù).5 2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù).7 2.3 通信技術(shù).8 2.4 方案論證.10 2.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方案選擇.10 2.4.2 通信方式的方案選擇.11 2.4.3 最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架.11 2.5 本章小節(jié).12 第 3 章 硬件部分設(shè)計(jì).13 3.1 單片機(jī)的選型.13 3.2 12 位雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109.15 3.3 高精度運(yùn)算放大器 AD OP-07.18 3.4 譯碼器 74HC154.18 3.5 電源電路設(shè)計(jì).20 3.6

10、看門狗電路及接口設(shè)計(jì).21 3.7 本章小結(jié).22 第 4 章 軟件部分設(shè)計(jì).23 4.1 初始化程序.23 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換子程序.24 4.3 串口通信程序.24 4.4 抗干擾設(shè)計(jì).25 4.4.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì).25 4.4.2 軟件抗干擾措施.25 4.5 本章小結(jié).28 結(jié)束語.29 參考文獻(xiàn).30 致謝.31 附錄 A.32 附錄 B.33 第 1 章 緒 論 1.1 引言 在現(xiàn)實(shí)中要通過計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)世界中的信息進(jìn)行處理和顯示，首先必須將計(jì)算機(jī) 和現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來，這需要將真實(shí)世界中的各種信號(hào)（稱為模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)化為計(jì)算 機(jī)可以識(shí)別、存儲(chǔ)的信號(hào)（稱為數(shù)字信號(hào)） ，這一過程即是

11、數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集技術(shù) 是以前端的模擬信號(hào)處理、模擬信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等高科 技為基礎(chǔ)而形成的一門綜合技術(shù)。它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字技術(shù)促進(jìn)了 上述這些領(lǐng)域的發(fā)展，而反過來又對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了愈來愈高的要求。一個(gè)大型 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等1。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)在信號(hào)處理中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代的測量系統(tǒng) 在數(shù)字信號(hào)處理方面的能力也大大加強(qiáng)了，形成了所謂的數(shù)字化測量技術(shù)。數(shù)字化測 量就是借助于各種類型的傳感器檢測外部世界的各種信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn) 行信號(hào)調(diào)理和

12、A/D轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為能夠在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào)。具 體來說，就是將電壓、電流、溫度、壓力等物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計(jì)算機(jī)中。 作為信息源頭的傳感器對計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展有著重要作用；目前，傳感器正不斷朝 著多功能性和智能性方向發(fā)展。 在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展和應(yīng)用取得了前 所未有的突破和成功，網(wǎng)絡(luò)化測量、采集和（對網(wǎng)中儀器設(shè)備的）控制技術(shù)正隨著網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展岡。網(wǎng)絡(luò)化、分布式的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢體現(xiàn)在： 采集范圍擴(kuò)大，處理能力增強(qiáng)，信息索取更加方便，并且能夠適應(yīng)場合變更的需 要。憑借這些優(yōu)良的性能，網(wǎng)絡(luò)化測量和控制己經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集技

13、術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的長足發(fā)展以及由此所產(chǎn)生的測量需求成為 數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的不竭動(dòng)力，并對數(shù)據(jù)采集技術(shù)提出了更新、更高的要求：測量的 方法、可測量的種類和范圍應(yīng)不斷拓寬和更新，準(zhǔn)確度要提高，可靠性要增強(qiáng)，并能 夠適應(yīng)各種不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要。 簡而言之，數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展離不開傳感器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)化測量、 采集和控制是其發(fā)展的必然趨勢。 國內(nèi)現(xiàn)在有不少數(shù)據(jù)測量和采集的系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)的研制成功解 決了部分用戶需要，但是也有一部分系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、 操作復(fù)雜，并且對測試環(huán)境要求較高等問題。本文在研究單片機(jī)技術(shù)、單片機(jī)數(shù)據(jù)

14、采 集及單片機(jī)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該 系統(tǒng)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。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理的發(fā)展趨勢 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù) 字信號(hào)，并送到計(jì)算機(jī)，然后將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物 理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理 量。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下， 應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)

15、時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對速度的要求。 當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中并取得不俗表現(xiàn)后，測量技術(shù)又經(jīng)歷了一場全面 數(shù)字化的變革。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程包括了：測、處、管、控四個(gè)部分，應(yīng)用了計(jì)算 機(jī)技術(shù)之后，這四個(gè)環(huán)節(jié)的工作在時(shí)間和空間上的界限就不再那么明顯了，換句話說 當(dāng)數(shù)據(jù)采集電路通過傳感器將測量值采集、量化之后，通過計(jì)算機(jī)接口傳入計(jì)算機(jī)中 利用軟件來完成對大量測量數(shù)據(jù)的處理，而這一切，都因?yàn)橛?jì)算機(jī)在數(shù)字信號(hào)處理方 面無可比擬的優(yōu)勢而能夠瞬間完成，數(shù)據(jù)采集硬件和軟件的集成也就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的概念。 作為一個(gè)整體而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展將受到多方面的影響，比如：測量技術(shù)、 傳感器技術(shù)、軟件技

16、術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及在實(shí)踐中不斷提出的新要求，這些因素都將在 很大程度上影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。 測量技術(shù)在其發(fā)展過程中，會(huì)不斷產(chǎn)生新的測量需求，對測量數(shù)據(jù)的多樣性及準(zhǔn) 確性的要求也正在逐步提高。作為信息源頭的傳感器對計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展有著重要 作用。在 21 世紀(jì)，傳感器在多功能性和智能性方向的發(fā)展仍將對測量技術(shù)的發(fā)展產(chǎn) 生深刻的影響。 現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展對測量技術(shù)不斷提出了新要求，具體表現(xiàn)在： 1、隨著科技的快速發(fā)展，現(xiàn)代生產(chǎn)的自動(dòng)化程度在提高，技術(shù)難度在增加，采 用的控制技術(shù)、控制系統(tǒng)的組成和方式都在不斷變化，各類控制系統(tǒng)和裝置沒有完善 的檢測手段是不可能適應(yīng)要求的。 2、從當(dāng)前世界自動(dòng)化技

17、術(shù)的發(fā)展趨勢看，現(xiàn)代控制技術(shù)趨于全程化。即在生產(chǎn) （或制造）過程的全部時(shí)間領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)在線控制和管理。這意味著過程控制系統(tǒng)將提 供工廠設(shè)備在其生產(chǎn)周期內(nèi)的完整數(shù)據(jù)，以保證對每日的操作運(yùn)行的優(yōu)化。 3、現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用人工智能技術(shù)（模糊邏輯，人工神經(jīng)網(wǎng)、專家系統(tǒng)、模式 識(shí)別、遺傳算法和小波分析）對生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行測量，以提高控制精度，保證品質(zhì)。 4、傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)主要是對設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制。今天，除了復(fù)雜生產(chǎn) 過程仍然是人們研究應(yīng)用的重要對象以外，現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到企業(yè)產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)過程、管理過程以及企業(yè)間的資源分配和優(yōu)化，如現(xiàn)代物流、供需鏈管理、電 子商務(wù)等。 可見，現(xiàn)代控制技術(shù)對

18、計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)代控制技術(shù)的長足發(fā)展 以及它所產(chǎn)生的測量需求已成為測量技術(shù)發(fā)展的不竭動(dòng)力，正不斷地促進(jìn)和推動(dòng)著計(jì) 量測試技術(shù)的發(fā)展2。 1.2.2 國內(nèi)外數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用現(xiàn)狀 1、國外數(shù)據(jù)采集器的現(xiàn)狀 隨著國外微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測控技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，目前國外 數(shù)據(jù)采集技術(shù)己經(jīng)有了很大的發(fā)展。從近來國外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的 發(fā)展可以概括為體積小、功能多樣和使用方便等三個(gè)方面。此外，數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用 特點(diǎn)還反映在如下幾個(gè)方面: （1）它既是一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，又是一臺(tái)功能較全的機(jī)器狀態(tài)分析儀，不僅有常 用的時(shí)域分析和頻域 FIT 分析，而且還可以做倒譜、細(xì)化、包

19、絡(luò)譜和時(shí)頻域分析等功 能； （2）它既是采集器，又可以兼做其它儀器來用。如法國邁威公司的 MOVIL-OG 數(shù)據(jù)采集器，就可作為一臺(tái)動(dòng)平衡儀來用，它不但可以做單一平面的動(dòng)平衡，還可以 做六個(gè)平面的動(dòng)平衡； （3）儲(chǔ)存量大，從低頻到高頻頻率測量范圍寬，能適應(yīng)機(jī)器從低速到高速的各 種監(jiān)測范圍需要； （4）可利用振動(dòng)傳感器或過程傳感器或電量傳感器等輸入多種物理量，如振動(dòng) 加速度、位移、相位、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、電壓、電流和功率等，形成多參數(shù) 監(jiān)測系統(tǒng)； （5）數(shù)據(jù)采集器配套的軟件是以通用窗口的軟件為基礎(chǔ)，功能較強(qiáng)。一套軟件 可同時(shí)支持?jǐn)?shù)種不同型號(hào)與不同檔次的數(shù)據(jù)采集器； （6）數(shù)據(jù)采集器已經(jīng)安裝

20、了 LCD 背光顯示屏，并盡量減少了操作鍵，元器件高 度集成化，并減輕了機(jī)器的重量，采用防水防撞擊的密封外殼，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán) 境。 2、國內(nèi)數(shù)據(jù)采集器的現(xiàn)狀 上世紀(jì) 80 年代末到 90 年代初，我國一些儀器廠已研制出了多種數(shù)據(jù)采集器，其 中單通道的有 SP201，SC247 型，雙通道的有 EG3300，YE5938 型，超小型的有 911，902 和 921 型。具有采集靜態(tài)信號(hào)的有 SMC-9012 型。所配套的軟件包基本上 包括了設(shè)備維修管理和基本頻譜分析兩大部分，能夠適應(yīng)機(jī)器設(shè)備的一般狀況監(jiān)測和 故障診斷，基本己經(jīng)達(dá)到了國外數(shù)據(jù)采集器的初期水平。但是，國內(nèi)數(shù)據(jù)采集器與目 前國外數(shù)

21、據(jù)采集器相比，在技術(shù)上仍然存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在： （1）由于受國內(nèi)振動(dòng)等傳感器水平的限制，分析頻率范圍不寬，給一些高速的 機(jī)器或軸承的診斷等帶來了一定的困難； （2）由于數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集器本身的信號(hào)處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn) 場只能做一些簡單診斷，精密診斷需要離線到計(jì)算機(jī)上去做，現(xiàn)場精密診斷功能較弱； （3）設(shè)備的軟件水平仍在設(shè)備維修管理和基本頻譜分析上徘徊，機(jī)器故障診斷 專家系統(tǒng)還需完善，軟件人機(jī)界面有待改進(jìn)。數(shù)據(jù)采集是整個(gè)工廠自動(dòng)化的最前端， 測試精度、速度與實(shí)現(xiàn)該功能的成本是數(shù)據(jù)采集三個(gè)重要因素，數(shù)據(jù)采集也正朝著這 幾個(gè)方向發(fā)展.高速、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在運(yùn)動(dòng)控制、爆炸檢測、醫(yī)療

22、設(shè)備、快速生產(chǎn)過 程（如石油化工過程）和變電站自動(dòng)化等領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用例，這些行業(yè)中， 對高速數(shù)據(jù)采集的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的程度。用戶的需求促進(jìn)了技術(shù)的 發(fā)展和新產(chǎn)品的出現(xiàn)，因此，數(shù)據(jù)采集仍然會(huì)有長足的發(fā)展。 1.3 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(hào)采集系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)上，它主要由單片機(jī)（MCU） 、A/D 轉(zhuǎn)換器、與 PC 機(jī)聯(lián)接的通信電路、PC 機(jī)等。在軟件結(jié)構(gòu)上，它主要由多路信號(hào)采集，PC 機(jī)與單片 機(jī)通訊，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)

23、處理及保存等程序。 本論文主要對基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的多通道信號(hào)采集系統(tǒng)，完成并進(jìn)行性能分析。 本次設(shè)計(jì)需要完成以下工作：研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí) 現(xiàn)。該工作是在分析了不同類型的單片機(jī)的特點(diǎn)及單片機(jī)與 PC 機(jī)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制的采集系統(tǒng)，并通過基于 RS-232 總線的串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送并將數(shù)據(jù)在 PC 機(jī)上顯示及存儲(chǔ)。并給出了該系統(tǒng)硬 件、軟件實(shí)現(xiàn)的方法及分析。 第 2 章 單片機(jī)的多通道采集技術(shù) 數(shù)據(jù)采集電路通過傳感器將測量值采集、量化之后，通過計(jì)算機(jī)接口傳

24、入計(jì)算機(jī) 中利用軟件來完成對大量測量數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展將受到測量技術(shù)、傳 感器技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等因素的影響，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心元件是單片機(jī)， 關(guān)鍵的技術(shù)是數(shù)據(jù)采集及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)3。 2.1 單片機(jī)技術(shù) 在信號(hào)采集系統(tǒng)中，單片機(jī)主要擔(dān)當(dāng)控制 ADC，并對采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔?機(jī)的角色，同時(shí)若上位機(jī)反饋信息、指令，單片機(jī)收到指令后還需對外圍設(shè)備進(jìn)行相 關(guān)的控制。單片機(jī)己廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀 表和機(jī)器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡單，故障率 低，可靠性高，成本低廉。下面介紹幾種常見單片機(jī)的特點(diǎn)： 1、MCS51 單

25、片機(jī) MCS51 系列單片機(jī)開始是 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初研制出來的，但現(xiàn)在以 MCS51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機(jī)己成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以 此為基核，推出許多與 MCS51 有極好兼容性的 CHMOS 單片機(jī)，同時(shí)增加了一些新 的功能。例如 ATMEL 公司推出的 AT89S51 單片機(jī)，PHILIS 公司系列單片機(jī)，華邦 （WINBOND） ，Silicon 公司出品的 C8051Fxxx 單片機(jī)。以現(xiàn)在常用的 AT89C51 為 例:AT89C51 是一種低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4Kbytes 的可系統(tǒng)編 程的 Flash 只

26、讀程序存儲(chǔ)器，器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 系列指令系統(tǒng)及引腳。它集 FLASH 程序存儲(chǔ)器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方 法進(jìn)行編程，片內(nèi)置通用 8 位微處理器和 FLASH 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域4。 2、PIC 單片機(jī) 由美國 Microchip 公司推出的 PIC 單片機(jī)系列產(chǎn)品，首先采用了 RISG 結(jié)構(gòu)的嵌 入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流 LCD 驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位 OTP 技 術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢。在全球都可以看到 PIC 單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家 電控

27、制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今的 PIC 單片機(jī)已經(jīng)是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之一。 PIC8 位單片機(jī)具有指令少、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，其主要原因是 PIC 系列單片機(jī) 在結(jié)構(gòu)上與其它單片機(jī)不同。該系列單片機(jī)引入了原用于小型計(jì)算機(jī)的雙總線和兩級(jí) 指令流水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與一般采用 CLSC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）的單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上 是有不同的。 PIC 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 接口、定時(shí)器和程序寄存器 等都是采用了 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個(gè)周期就可以完成訪問和操作。而其 它單片機(jī)常需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。

28、上述各項(xiàng)，就是 PIC 系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。 3、AVR 單片機(jī) AVR 單片機(jī)是 ATMEL 公司 1997 年推出的精簡指令集（RISC）單片機(jī)系列。 ATMEL 公司通過 AVR 把 RISC 技術(shù)帶到了 8 位單片機(jī)世界，這種全新的結(jié)構(gòu)帶來了 很多優(yōu)勢。該系列的程序存貯器是在片內(nèi)的 Flash 存貯器，可以反復(fù)修改上千次、這 對新產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品升級(jí)都是很方便的。單片機(jī)的指令基本上都是單個(gè)晶振周期的， 能夠到 1MIPS/MHz 的性能。該系列單片機(jī)針對應(yīng)用 C 語言編程做了優(yōu)化。這一系列 單片機(jī)好的多型號(hào)都是寬電壓工作的，同時(shí)有各種睡眠模式有利于降

29、低系統(tǒng)功耗。再 加上內(nèi)部的振蕩器、看門狗、上電復(fù)位、A/D 輸入，PWM 輸出等功能，它也可以稱 為“零外設(shè)”的單片機(jī)，具有片上系統(tǒng)（SOC，system on chip）的雛形。因此 AVR 單片機(jī)適合于很多領(lǐng)域的應(yīng)用，表現(xiàn)出卓越性能。AVR 單片機(jī)家族已經(jīng)發(fā)展成為一 個(gè)很全的系列：包括 TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、DVD AVR、RF AVR、SECURE AVR、FPGA AVR 等類別。Tiny AVR 系列的典型芯片如 Tiny11、Tiny12、Tiny13 等等，這一類型的單片機(jī)的特點(diǎn)是很好的把價(jià)格、性能和靈 活性結(jié)合在一起，典型的應(yīng)用包括

30、鋰電池充電器、冰箱控制和門禁系統(tǒng)等等。AVR mega 系列的典型芯片如 Atmega8，Atmegal6 等等，這一類型的單片機(jī)的特點(diǎn)是帶有 具有自編程能力的程序存儲(chǔ)器，可以通過 SPI、USART、和二線制接口（IC）編程， 適合于需要遠(yuǎn)程編程和現(xiàn)場升級(jí)的應(yīng)用領(lǐng)域；同時(shí)該類型單片機(jī)具有很全的外圍設(shè)備 適合于多種應(yīng)用。同時(shí)還有一些增加了面向特殊應(yīng)用具有特殊功能的單片機(jī)。這些單 片機(jī)都是在相同的 AVR 的基礎(chǔ)上加上了面向應(yīng)用的特殊功能，LCD AVR 加上了 LCD 驅(qū)動(dòng)器比如 Atmega169 能夠驅(qū)動(dòng) 425 段的 LCD。USB AVR 單片機(jī)例如： AT43USB351M 集成了

31、USB 的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的硬件協(xié)議，同時(shí)由 AVR 核通過 編程實(shí)現(xiàn)傳輸層的實(shí)現(xiàn)。DVD AVR 例如：AT78C1501 內(nèi)部通過 AVR 核實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù) 據(jù)通道核緩存的控制。RF AVR 例如：AT86F401 在 AYR 核的控制下實(shí)現(xiàn)開關(guān)鍵控 的無線射頻數(shù)據(jù)傳輸。SECURE AVR 例如：AT90SC19264RC 是帶有 AVR 核的實(shí)現(xiàn) IS07816 協(xié)議的用于智能卡的單片機(jī)。FPGA AVR 例如：AT94K05A 則內(nèi)部集成有 FPGA。這些類型構(gòu)成了 AVR 系列單片機(jī)的龐大家族，使 AVR 在相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮 獨(dú)特性能。盡管 AVR 系列單片機(jī)型號(hào)繁多，功能各異，但是

32、所有 AVR 單片機(jī)都有 相同的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和指令集，因此各系列 AVR 單片機(jī)之間的代碼移植是很方便的。 不同系列單片機(jī)都會(huì)分別具有配置不同的 SRAM，EEPROM，外部 SRAM 的接口， AD 轉(zhuǎn)換器，硬件乘法器，UART，USART 等等外圍設(shè)備。 目前單片機(jī)的發(fā)展速度較快，單片機(jī)的型號(hào)繁多，要根據(jù)設(shè)計(jì)不同系統(tǒng)的功能要 求、性能指標(biāo)及價(jià)格等選擇型號(hào)，一般來說，控制關(guān)系較簡單的小家電，可以采用 RISC 型單片機(jī)：控制關(guān)系較復(fù)雜的場合，如通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)采用 CISC 單片機(jī)。 2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用到測量、監(jiān)洲、控制、診斷、科學(xué)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng) 域中。近

33、二十年來，數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在形式上由原來的專用的測試 儀器到現(xiàn)在的使用微機(jī)的虛擬儀器；采集的分辨率從 4 位、8 位到現(xiàn)在的 24 位分辨 率；采集的速率從幾 KPS 到現(xiàn)在最高速率己達(dá) 2GPS，記錄設(shè)備從原來的手記、紙帶 的模擬或數(shù)字記錄到磁帶記錄，到現(xiàn)在的硬盤記錄、磁光盤記錄。 對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用哪種技術(shù)取決于對下列因素的權(quán)衡： 1、分辨率。由于精密元件成本高，所以隨著分辨率的提高，A/D 轉(zhuǎn)換器的價(jià)格 也會(huì)急劇上升。8 位分辨率的模擬多路器的每通道價(jià)格幾乎相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器的價(jià)格。 分辨率高于 12 位時(shí)，情況則相反，模擬多路切換趨于更加經(jīng)濟(jì)。 2、通道數(shù)。通道數(shù)決定所

34、用多路器的大小、連線數(shù)量以及內(nèi)部連接。在許多情 況下，把數(shù)字多路器連到共用數(shù)據(jù)總線上，可使連線數(shù)量降到最低。模擬多路切換適 用于 8-256 個(gè)通道;超過這個(gè)數(shù)目，此技術(shù)就難以應(yīng)用，模擬誤差也很難減小。在大 系統(tǒng)中，模擬和數(shù)字多路切換技術(shù)常結(jié)合在一起應(yīng)用5。 3、檢測速度或吞吐量。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)大幅度上升。如果模擬多 路器要求高速轉(zhuǎn)換器以達(dá)到所要求的采樣速率，那么，每一通道配置一個(gè)低速轉(zhuǎn)換器， 并進(jìn)行數(shù)字多路切換就會(huì)便宜些。 4、信號(hào)電平及調(diào)理。對模擬多路切換而言，要使諸通道間具有寬廣的動(dòng)態(tài)范圍 是很困難的。低于 iv 的信號(hào)，一般要求價(jià)格昂貴的、差分低電平模擬多路切換，而

35、且在 MUX（多路器）操作之后，還要有可編程增益放大器。另一種方法可能更有效， 這就是：每個(gè)通道用一個(gè)放大倍數(shù)固定的運(yùn)算放大器，并針對該通道的要求設(shè)計(jì)信號(hào) 調(diào)理，同時(shí)采用數(shù)字多路切換。 5、檢測點(diǎn)的物理位置。鑒于模擬信號(hào)存在衰減、傳輸線反射以及干擾等問題， 模擬量多路切換適合于距轉(zhuǎn)換器幾百英尺以內(nèi)的檢側(cè)。依據(jù)信號(hào)電平、傳輸距離以及 環(huán)境噪聲，傳輸線可從雙絞線到多芯屏蔽電纜。如果有合適的傳輸設(shè)備，在幾千英里 范圍之內(nèi)，均可進(jìn)行數(shù)字切換操作，因?yàn)閿?shù)字傳輸系統(tǒng)能提供長距離傳輸所要求的功 能強(qiáng)大的抑制噪音特性。 2.3 通信技術(shù) 通信是信息的處理、傳輸與交換過程，也就是信息的交流。我們通常把信息的發(fā)

36、生者稱為信源，信息的接收者稱為信宿，傳播信息的媒介稱為載體，信源和信宿之間 的信息傳輸?shù)耐緩脚c設(shè)備稱為信道。通信技術(shù)是研究如何將信源產(chǎn)生的信息，通過傳 輸媒介，高效、安全、迅速、準(zhǔn)確地傳送到受信者的技術(shù)。通常，根據(jù)傳輸介質(zhì)的不 同，通信技術(shù)可分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)兩大類：根據(jù)傳輸信號(hào)類型的不同， 通信技術(shù)可分為模擬通信技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)。 計(jì)算機(jī)通信按接口來分可分為并行通信方式和串行通信方式。 1、并行通信方式 并行通信傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位，同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將這些數(shù)據(jù) 位通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。接收設(shè)備可同時(shí)接 收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變

37、換就可直接使用。并行方式主要用于近題離通信。計(jì) 算機(jī)內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，處理簡單， 缺點(diǎn)是所需連接線多，遠(yuǎn)距離通信時(shí)成本高。 2、串行通信方式 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)模扔删哂袔孜豢偩€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6。串行傳輸類型生要有以下幾種： （1）RS-232 串行通信接口 目前 RS-232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232 被定義 為一種在低速率串行通訊

38、中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232 采取不平衡傳輸方式， 即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對于信號(hào)地，典型的 RS-232 信號(hào)在正負(fù) 電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5+I5V，負(fù)電平在-5- 15V 電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS-232 電平再返回 TTL 電平。接收器典型的工作電平在+3+12V 與-3- 12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差， 再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15m，最高速率為 20kb/s，RS-232 是為點(diǎn)對點(diǎn)

39、（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 37k。所以 RS-232 適合本地設(shè)備之間的通信。計(jì)算機(jī)上的串行通信端口 RS-232 是標(biāo)配，雖然與 現(xiàn)在的一些新出的標(biāo)準(zhǔn)相比，RS-232 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 RS-232 通信端口側(cè)。 一般的計(jì)算機(jī)將 COM1 以 9Pin 的接頭接出。 （2）RS-422 串行通信接口 如果在工業(yè)環(huán)境雜訊干擾較強(qiáng)，用 RS-232 作為傳輸就會(huì)容易收到干擾，使信號(hào) 發(fā)生錯(cuò)誤。為此常改用 RS-422 傳輸方式。RS-422 的信號(hào)將被傳送出去時(shí)會(huì)先分成正 負(fù)的兩條線路，

40、當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端后，再將信號(hào)相減還原回原來的信號(hào)。這樣可有效防止 雜訊的干擾，傳輸距離和速度也得到提高。 RS-422 與 RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)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，另一線定義為 B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)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-26V，是另一個(gè)邏輯狀 態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地 C，在 RS-485 中還有一“使能”端，而在 RS-422 中這是可用可 不用的。 “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起 作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)” ，即它是有別于邏輯“1”與

41、 “0”的第三態(tài)。 RS-422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性” ，它定義了接口電路的 特性。典型的 RS-422 是四線接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5 根線。其 DB9 連 接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比 RS-232 更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力， 故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備 （Master） ，其余為從設(shè)備（Salve） ，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS-422 支持點(diǎn)對多 的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，最大負(fù)載能力是 104k+100（終接電阻） 。RS- 422 四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因

42、此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間 任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（XON/OFF 握手）或硬件方式（一對單獨(dú)的 雙絞線）實(shí)現(xiàn)7。 RS-422 的最大傳輸距離為 1219m，最大傳輸速率為 l0Mb/s。其平衡雙絞線的長 度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短 的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100m 長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率 僅為 1Mb/s。 （3）RS-485 串行通信接口 由于 RS-485 是從 RS-422 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以 RS-485 許多電氣規(guī)定與 RS- 422 相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上

43、接終接電阻等。RS-485 可以采 用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，與 RS- 422 一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備， 但它比 RS-422 有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到 32 個(gè)設(shè)備。RS- 485 與 RS-422 的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之間， 而 RS-422 在-7V 至+7V 之間；RS-485 滿足所有 RS-422 的規(guī)范，所以 RS-485 的驅(qū)動(dòng) 器可以用在 RS-422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。RS-485 與 RS-422 一樣，其最大

44、傳輸距離約為 1219m，最大傳輸速率為 10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率 傳輸。一般 100m 長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 在 MCU 之間中長距離通信的諸多方案中、RS-485 因硬件設(shè)計(jì)簡單、控制方便、 成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動(dòng)報(bào)測等領(lǐng)域， 但 RS-485 總線在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面存在缺陷、一些細(xì)節(jié)的處理不當(dāng) 常會(huì)導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障、因此提高 RS-485 總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重 要。 （4）USB 通

45、用串行通信接口 USB 通用串行總線接口是現(xiàn)在比較流行的接口，它最大的好處在于能支持多達(dá) 127 個(gè)外設(shè)，外設(shè)可以獨(dú)立供電，也可以通過 USB 接口從主板上獲得 500mA+5V 的電流并且支持熱拔插，真正做到即插即用。 USB 的帶寬容量可容納多種不同的數(shù)據(jù)流，因此可連接大量的設(shè)備，并且 USB 支持在同一時(shí)刻的不同設(shè)備具有不同比特率，而且可動(dòng)態(tài)變化。 USB 接口有著功能強(qiáng)大、傳輸速度高、連接外設(shè)數(shù)量多，可向外設(shè)提供電源等 特點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣，但是 USB 接口的上位機(jī)（即 PC 機(jī)）程序的開發(fā)有著開發(fā) 難度大、涉及知識(shí)面廣、開發(fā)周期長等特點(diǎn)，同時(shí)在下位機(jī)（即單片機(jī)）硬件設(shè)計(jì)時(shí) 必須選用

46、帶有 USB 接口的單片機(jī)或擴(kuò)展專門的 USB 接口芯片，這必然會(huì)給下位機(jī)的 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加難度并提高了軟硬件成本。所以，USB 接口通常用于對傳輸速 度要求高、傳輸功能復(fù)雜、或需上位機(jī)提供電源的外設(shè)和裝置上。 2.4 方案論證 2.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方案選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有 8 位，10 位，12 位和 16 位等。位數(shù)越 高分辨率就越高，價(jià)格也就越貴。A/D 轉(zhuǎn)換器的型號(hào)很多，在精度和轉(zhuǎn)換速度上差異 很大。常用的有雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器等。 1、雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 雙積分式是一種間接式 A/D 轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，速度

47、快；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換 時(shí)間長，一般要 4050ms，適用于轉(zhuǎn)換速度不快的場合。 2、逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 逐次逼近式的屬于直接式 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，速度高，但價(jià)格較貴，是 目前種類最多，應(yīng)用最廣的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 由于目前逐次比較式的高速 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器一般價(jià)格都很高，而且本設(shè)計(jì)應(yīng)用 在要求速度不太高的場合，所以采用廉價(jià)的雙積分式高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109。ICL7109 是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分式 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。它的最大的特點(diǎn)是其數(shù)據(jù)輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)，并配有較強(qiáng)的接口功能， 能方便的與各種微處理器相連。 2.4.2

48、通信方式的方案選擇 微機(jī) PC 和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)交換，通信的類型主要有串行和并行兩 種傳輸方式。并行傳輸由于數(shù)據(jù)線間相互干擾明顯，傳輸距離不能很遠(yuǎn)，故在此設(shè)計(jì) 主要考慮串行傳輸方式，串行傳輸類型主要 RS-232 總線方式、RS-422 總線方式、 RS-485 總線方式、USB 總線方式、IEEE-1394 總線方式等。由于本設(shè)計(jì)對采集的模 擬信號(hào)速率低，且對周圍的環(huán)境要求不嚴(yán)格，從設(shè)計(jì)的簡單實(shí)用，利于維護(hù)，并考慮 成本方面的因數(shù)，對以上幾種傳輸方式，優(yōu)選 RS-232 方式。 2.4.3 最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路的功能是對多路模擬信號(hào)的采集與預(yù)處理部分，包括單片機(jī)

49、電路、A/D 變換器電路、信號(hào)處理電路等，選擇何種技術(shù)要根據(jù)設(shè)計(jì)的電路的應(yīng)用范 圍決定，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機(jī)電一體化、 智能家居等領(lǐng)域的通用型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確定該系統(tǒng)采集分辨率為 8-12 位、通道數(shù) 為 8 路、檢測速度為幾十 KPS、信號(hào)電平為小于或等于 5V、檢測距離小于或等于 10m。由工作原理和實(shí)際的應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)如圖 2.1 所示。系統(tǒng)由以下幾部分組成： CPU（單片機(jī)） 、選通邏輯模塊、A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109、電源模塊、通信模塊等。 ICL7109 選通 邏輯 OP07 信號(hào) 處理 AT89C52 通信模塊 電源監(jiān)控 看門狗 電 路

50、電源模塊 8路模 擬量輸入 圖 2.1整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 2.5 本章小節(jié) 本章研究了單片機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)等方面進(jìn)行研究。 分別分析了常用的 MCS51 單片機(jī)、PIC 單片機(jī)及 AVR 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。 研究數(shù)據(jù)采集技術(shù)中分辨率、通道數(shù)、檢測速度、信號(hào)電平及檢測點(diǎn)等因素對設(shè) 計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響，由這幾個(gè)因素決定了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的技術(shù)。 分別對計(jì)算機(jī)的通信技術(shù)的并行接口及串行接口的方式及特點(diǎn)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分 析了應(yīng)用較廣的通用串口總線 RS-232、RS-422、RS-458、USB 等的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。 并對本設(shè)計(jì)的主要部分做出了選擇論證，確定了最終的系統(tǒng)設(shè)

51、計(jì)框架。 第 3 章 硬件部分設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)的選型 由于本系統(tǒng)的采樣比較多，儲(chǔ)存需要較大的 RAM，而且為了減小系統(tǒng)的接線和 體積在此采用 AT89C52 單片機(jī)為 CPU 模塊的核心。 1、AT89C52 整體介紹 AT89C52 單片機(jī)是 MCS51 兼容型單片機(jī)。它無論在片內(nèi) RAM 容量、I/O 口 的系統(tǒng)擴(kuò)展能力、指令系統(tǒng)和 CPU 的處理功能等方面都比早期的單片機(jī)強(qiáng)，有 8K 閃存作程序存儲(chǔ)器，256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 3 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，因此無需再 擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，并且可將 4 個(gè)并行口全部作為輸入/輸出接口使用。CPU 模塊主要 依靠 AT89C52 單片機(jī)

52、強(qiáng)大的 I/O 口讀寫功能通過地址線和數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)對其他各模塊 工作的管理。要使 AT89C52 工作必須有晶振電路8。系統(tǒng)中單片機(jī)及其晶振電路如 圖 3.1 所示。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1.0/T 1 P1.1/T 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23

53、P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U10 AT89C52 C11 30pF XT1 11.0592M C10 30pF RESET VCC 圖 3.1單片機(jī)及其晶振電路圖 2、AT89C52 的功能引腳 VCC：電源電壓。 GND：地。 P0：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為 輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“1” 時(shí)，可作為高阻抗輸入端用；在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)

54、轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻；在 Flash 編程 時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉 電阻。 P1：P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端 口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引 腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 接收低 8 位地 址。P1.0 和 P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2

55、）和輸入 （P1.1/T2EX） 。 P2：P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻 把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某 個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流；在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在 訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRI 指令）時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存 器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 亦

56、接收高位地址和一些控制信號(hào)。 P3：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉 電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流；P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3.1 所示。 表 3.1P3 口第二功能 端口引腳第二功能 P3.0RXD 串行輸入口 P3.1TXD 串行輸出口 P3.2INTO 外中斷0 P3.3INT1 外中斷1 P3.4T0 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0 P3.5T1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器1 P3.6

57、WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 P3.7RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 此外，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)及其周期以上高電平將使 單片機(jī)復(fù)位。 ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）PROG 輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻 率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的 是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。 PESN：程序存儲(chǔ)允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部 程序存

58、儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。 在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。 /VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（地址EA 0000HFFFFH）, 端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)EA 部會(huì)鎖存端狀態(tài)。如果端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。EAEA XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 3.2 12 位雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 ICL7109 是美國 Intersil 公司生產(chǎn)的一種

59、高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的 雙積分式 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。由于目前逐次比較式的高速 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器一般價(jià)格 都很高，在要求速度不太高的場合，如用于稱重，測壓力等各種高精度測量系統(tǒng)時(shí)， 可以采用廉價(jià)的雙積分式高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109。ICL7109 最大的特點(diǎn)是其數(shù)據(jù) 輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)，并配有較強(qiáng)的接口功能，能方便的與各種微處理器相連。 1、ICL7109 的功能引腳 ICL7109 為 40 引腳雙列直插式封裝，各引腳功能如下： GND：數(shù)字地，0V。 STATUS：狀態(tài)輸出，ICL7109 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該引腳發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。 POL：極性輸出，

60、高電平表示 ICL7109 的輸出信號(hào)為正。 OR：過程量狀態(tài)輸出，高電平表示過程量。 B1B12：三態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，B12 為最高位，B1 為最低位。 TEST：此引腳僅適用于測試芯片，接高電平時(shí)為正常操作，接低電平時(shí)則強(qiáng)迫 所有位 B1B12 輸出為高電平。 LBEN：低電平使能端。當(dāng) MODE 和 CE/LOAD 均為低電平時(shí)，此信號(hào)將作為低 位字節(jié)（B1B8）輸出選通信號(hào)；當(dāng) MODE 位高電平時(shí)，此信號(hào)將作為低位字節(jié)輸 出。 HBEN：高字節(jié)使能端。當(dāng) MODE 和 CE/LOAD 均為高電平時(shí)，此信號(hào)將作為高 位字節(jié)（B8B12）以及 POL，OR 輸出的輔助選通信號(hào)；當(dāng) MODE