1、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)吉林工程技術(shù)師范學(xué)院電子信息工程 摘要高精度ad轉(zhuǎn)換、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與便攜技術(shù)，是目前數(shù)據(jù)采集研究領(lǐng)域一個(gè)比較關(guān)注的熱點(diǎn)，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，可以很好的解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中精度低、數(shù)據(jù)不易保存等一些問(wèn)題。 本套數(shù)據(jù)采集裝置由主控單元與數(shù)據(jù)采集單元兩部分構(gòu)成，主控單元具有數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)采集單元可采集8路模擬量信號(hào)、8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，與主控單元用spi接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)鍵詞：ad轉(zhuǎn)換、8路、數(shù)據(jù)采集abstract: high-accuracy ad conversion, and portable mass data storage technology,

2、data acquisition is a field of research attention, the realization of these technologies and applications, can be a very good solution to the traditional low accuracy of data collection, data preservation, such as some of the problems is not easy. this set of data acquisition device from the main co

3、ntrol unit and data acquisition unit constituted of two parts, main control unit with the data show that real-time clock, data storage, data acquisition unit can capture 8 analog signals, 8-way switch signal, and the main spi interface with control unit for data transmission.keyword: ad conversion 、

4、8-way switch 、data transmission目 錄第一章 緒論.11.1 背景11.2 方案論證與比較2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì).52.1 總體設(shè)計(jì)52.2 總體流程圖8第三章 理論分析和說(shuō)明103.1 各部分電路原理說(shuō)明.103.2 理論分析.13第四章 調(diào)試154.1 出現(xiàn)的問(wèn)題154.2 解決方法與改進(jìn)15第五章 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析16第六章 結(jié)論及展望.17參考文獻(xiàn)附 錄第一章 緒 論1.1 背 景數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)查看數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)有意義的新關(guān)系新模式和新趨勢(shì)，以及使用模式識(shí)別技術(shù)和精確的統(tǒng)計(jì)技術(shù)的過(guò)程。 通過(guò)數(shù)據(jù)采集用戶可以發(fā)現(xiàn)模式并自動(dòng)建模而無(wú)需確切知道用戶所要

5、尋找的內(nèi)容， 數(shù)據(jù)采集有助于避免處理數(shù)據(jù)時(shí)人腦的不足以及分析問(wèn)題的盲目性。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)測(cè)控以及實(shí)驗(yàn)室研究方面的應(yīng)用非常廣泛， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)采集技術(shù)成為現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面并向著高精度高速度穩(wěn)定可靠和集成化的方向發(fā)展。一種應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸模塊,由模擬數(shù)據(jù)采集電路,模擬數(shù)據(jù)輸出電路,ad轉(zhuǎn)換電路和gprs模塊四個(gè)功能電路構(gòu)成。其中，模擬數(shù)據(jù)采集電路采集探測(cè)器輸出的模擬信號(hào),將其分成兩路進(jìn)行輸出，一路傳輸至模擬數(shù)據(jù)輸出電路,另一路傳輸至ad轉(zhuǎn)換電路。模擬數(shù)據(jù)輸出電路將模擬數(shù)據(jù)采集電路采集到的模擬信號(hào)透明輸出給工業(yè)控制系統(tǒng)，ad轉(zhuǎn)換電路將模擬

6、數(shù)據(jù)采集電路采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可編譯的數(shù)字信號(hào),并輸出至gprs模塊，gprs模塊將來(lái)自ad轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字信號(hào)發(fā)射到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上,進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。本實(shí)用新型能與現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)無(wú)縫聯(lián)接,在不影響現(xiàn)有系統(tǒng)正常功能的條件下而使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)傳,將數(shù)據(jù)上傳到指定的服務(wù)器上。1.2 方案論證與比較設(shè)計(jì)要求：自制一正弦波信號(hào)發(fā)生器，利用可變電阻改變振蕩頻率，使頻率在200hz2khz范圍變化，再經(jīng)頻率電壓變換后輸出相應(yīng)15v直流電壓（200hz對(duì)應(yīng)1v，2khz對(duì)應(yīng)5v）。數(shù)據(jù)采集器第1路輸入自制15v直流電壓，第27路分別輸入來(lái)自直流源的5，4，3，2，1，0v直流電壓，第8路備用。

7、將各路模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)并/串變換電路，用串行碼送入傳輸線路。 主控器通過(guò)串行傳輸線路對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。 圖1-1 整體要求方案一：該方案的系統(tǒng)原理框圖如圖1-2所示,它能完成所要求的功能。但是存在不足之處是：編程不方便,主要是a/d接口和rs485接口編程不方便。 圖1-2 方案一系統(tǒng)框圖 方案二：該方案的系統(tǒng)原理框圖如圖1-3所示,圖1-3 方案二系統(tǒng)框圖 方案三：用icl8038為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊，用adc0809為數(shù)據(jù)采集模塊，at89c51為控制模塊，串行口加74ls164組合的led數(shù)碼管位顯示模塊，不同按鍵觸發(fā)中斷式為設(shè)置模塊。模擬信號(hào)發(fā)生器頻率

8、電壓變換電路adc0809數(shù)據(jù)采集鍵盤(pán)控制采集方式數(shù)碼管顯示采得電壓值圖1-4 方案三系統(tǒng)框圖 比較這三種方案，從可行性、嚴(yán)謹(jǐn)性、安全性及經(jīng)濟(jì)效益多方面來(lái)看，第三種方案均為最佳，故我們選擇第三種方案。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)分五部分，用icl8038接為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，模擬信號(hào)發(fā)生，lm331接成一個(gè)頻率電壓變換電路，產(chǎn)生05v電壓，adc0809進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，74164與數(shù)碼管為顯示電路，另外還有鍵盤(pán)控制部分。 icl8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 0.1 300 khz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波

9、形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。故可以用它來(lái)接為正弦波信號(hào)發(fā)生器電路，利用可變電阻改變振蕩頻率，使頻率在200hz2khz范圍變化。 圖2-1 正弦波信號(hào)發(fā)生器電路lm331 為單片 v/ f轉(zhuǎn)換器，v/ f轉(zhuǎn)換器是把輸入的電壓轉(zhuǎn)換為脈沖輸出的一種電路。輸出脈沖的頻率能與輸入的電壓成線性關(guān)系 ,并可通過(guò)測(cè)量其輸出端的脈沖頻率來(lái)間接測(cè)量輸入的電壓值。它實(shí)際上也是一種 a/d轉(zhuǎn)換器，且具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、精度高、線性度好、頻率動(dòng)態(tài)變化范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格較低等諸多優(yōu)點(diǎn)。故可用它來(lái)接為電壓05v可調(diào)的頻率轉(zhuǎn)換電路。圖2-2頻率電壓變換電路adc0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入、8路數(shù)字

10、量輸出的a/d轉(zhuǎn)換器。adc0809通過(guò)其內(nèi)部的模擬開(kāi)關(guān)切換，分時(shí)處理8路模擬量輸入信號(hào)。在某一時(shí)刻，模擬開(kāi)關(guān)只能接通一路模擬量通道，之后，ad轉(zhuǎn)換器對(duì)該通道的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)刂锋i存信號(hào)ale為高電平時(shí)，a、b、c三條線上的數(shù)據(jù)送入adc0809內(nèi)部的地址鎖存器中，經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼后選中某一通道，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2-3 adc0809采集電路顯示電路采用6 位數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式 ,以74ls164作為鎖存驅(qū)動(dòng)芯片。把a(bǔ)t89c51的rxd作為數(shù)據(jù)輸出線 ,txd作為移位時(shí)鐘脈沖。74ls164為ttl單向8 位移位寄存器 ,可實(shí)現(xiàn)串行輸入 ,并行輸出，故可用與6位數(shù)碼管相接并顯示測(cè)得的電壓

11、值。圖2-4 74ls164與數(shù)碼管顯示電路按鍵p1-0可實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集，按鍵p1-4為通道選擇開(kāi)關(guān)，按幾下即可顯示對(duì)應(yīng)通道采集的電壓值，按鍵p1-7為關(guān)通道開(kāi)關(guān)，按下后數(shù)碼管無(wú)顯示。2.2 總體流程圖 圖 2-5 主程序 圖2-6 選擇采集子程序 圖2-7 循環(huán)采集子程序第三章 理論分析和說(shuō)明3.1 各部分電路原理說(shuō)明 正弦波信號(hào)發(fā)生器icl8038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器由開(kāi)關(guān)sw、恒流源i、恒流源ii、比較器i、比較器ii、觸發(fā)器、緩沖器、三角波/正弦波變換器和外接電容c等組成。其工作原理參見(jiàn)圖3-2的icl8038時(shí)間圖。icl8038的基本應(yīng)用電路示于圖3-3。圖3-2中icl8038的2端產(chǎn)生

12、正弦波的頻率是由恒流源i對(duì)外接電容c的充電時(shí)間t和恒流源ii對(duì)外接電容c的放電時(shí)間t決定的。恒流源對(duì)外接電容c充電，單位時(shí)間內(nèi)電壓的增量為： (1)電容c上電壓從v/3增至2v/3的時(shí)間為： (2)恒流源ii對(duì)cr 的放電時(shí)間為： （3）由于圖3-3中icl8038的7端和8端短接，因此，電路中r上電流對(duì)于充電電流i為： (4)其中，為icl8038的內(nèi)阻。圖3-2 icl8038時(shí)間圖圖3-3 使用icl8038的基本電路 頻率電壓變換電路另外還有一個(gè)頻率電壓變換電路,它的輸入信號(hào)為正弦波信號(hào)。正弦波信號(hào)經(jīng)放大,變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)作為lm331芯片的輸入信號(hào)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻，使得200hz對(duì)應(yīng)1v輸

13、出,2khz對(duì)應(yīng)5v輸出。lm331控制輸出的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)間，帶入下式中：當(dāng)時(shí)，輸入010v電壓所對(duì)應(yīng)的輸出頻率為0100khz。 adc0809數(shù)據(jù)采集過(guò)程單片機(jī)的ale引腳輸出為地址鎖存允許信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)ale的2mhz二分頻后得到1mhz的時(shí)鐘提供給adc0809。adc0809通過(guò)ale選通八路通道，a、b、c編碼000111對(duì)應(yīng)8個(gè)通道in0in7的地址，可在此改變輸入通道電壓的大小，采集數(shù)據(jù)，8路通道的電壓值可在6位數(shù)碼管上顯示出來(lái)。 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)start的上升沿將adc0809復(fù)位，當(dāng)被選中通道的模擬量到達(dá)a/d轉(zhuǎn)換器時(shí)，a/d轉(zhuǎn)換器并未對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)

14、start出現(xiàn)下降沿并經(jīng)延遲后，才會(huì)啟a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換.adc0809的轉(zhuǎn)換過(guò)程是在時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的，adc0809的時(shí)鐘信號(hào)由clock端送入，時(shí)鐘頻率的典型值為640khz,在這個(gè)頻率下，adc0809的a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us.由于adc0809片內(nèi)沒(méi)有時(shí)鐘，因此，當(dāng) adc0809用于at89c51單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，adc0809的時(shí)鐘信號(hào)可由at89c51單片機(jī)的地址鎖存允許信號(hào)ale經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻電路獲得。一般情況下，ale信號(hào)在每個(gè)機(jī)器周期出現(xiàn)兩次，因此其頻率為at89c51單片機(jī)的1/6.若單片機(jī)采用12mhz的晶振，則ale的輸出頻率為2mhz,再經(jīng)二分頻后為1mhz

15、,這個(gè)頻率符合adc0809對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。 adc0809的輸出通過(guò)鎖存器74ls373后接在at89c51的p0口，通過(guò)串行口輸出，數(shù)碼管與移位寄存器連接顯示通道07的測(cè)得電壓。按鍵按下幾次表示選通哪一通道，還可實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集。數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。軟硬件協(xié)調(diào)完成多路信號(hào)選通和 d/a轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理及串口通信的數(shù)字信號(hào)傳輸和控制等功能。根據(jù)所需完成的功能及技術(shù)指標(biāo) , d/a 轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)依次選通 8路模擬電壓信號(hào)輸入 ,通過(guò) a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) ,再由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí),單片機(jī)通過(guò)串行口輸出在6位數(shù)碼管上顯示電壓值。

16、數(shù)碼管與74164顯示過(guò)程每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到 clk端時(shí) ,移位寄存器移一位 ,8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后,8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74ls164中。mr為復(fù)位端 ,當(dāng)mr為0時(shí) ,移位寄存器各位復(fù)0 ,只有當(dāng)mr為1時(shí),時(shí)鐘脈沖才起作用。q0q7并行輸出端分別接led顯示器的 ha各段對(duì)應(yīng)的引腳上。6片74ls164首尾相串 ,而時(shí)鐘端則接在一起,這樣,當(dāng)輸入1個(gè)脈沖時(shí) ,從單片機(jī) rxd端輸出的數(shù)據(jù)就進(jìn)入到了第 1 片 74ls164中了,而當(dāng)?shù)?2 個(gè)8個(gè)脈沖到來(lái)后 ,這個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第 2 片74ls164,而新的數(shù)據(jù)則進(jìn)入了第1片74ls164 ,這樣 ,當(dāng)?shù)?組8個(gè)脈沖完成后 ,首次送出的

17、數(shù)據(jù)被送到了最左面的74ls164 中 ,其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在下面的74ls164中 ,經(jīng)6位數(shù)碼管顯示出測(cè)量結(jié)果。3.2 理論分析adc0809前端有一個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生器，其中icl8038v/f轉(zhuǎn)換芯片,該icl8038屬于積分型施密特壓控多諧振蕩器,完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻可改變正弦波的輸出頻率。通常芯片的地址線只能進(jìn)不能出 ,adc0809 的數(shù)據(jù)線有一特點(diǎn)，只能出不能進(jìn)，可以在把51單片機(jī)的 8 位數(shù)據(jù)線接到 adc0809 的 8 位數(shù)據(jù)線的同時(shí) ,又把其中的 3 位直接接到 adc0809 的 3 根地址線以確定通道號(hào).通常把 51 單片機(jī)的 8位數(shù)據(jù)線中的低 3 位d2

18、 ,d1 ,d0 直接接到 adc0809 的 3 根地址線 a2 ,a1 ,a0 以確定通道號(hào).采用這種連接方式特點(diǎn)是 ,單片機(jī)要把最低 3 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入 adc0809 的地址鎖存器 ,然后作為通道地址使用。74ls164為ttl單向8 位移位寄存器 ,可實(shí)現(xiàn)串行輸入 ,并行輸出。其中 a、b 為串行數(shù)據(jù)輸入端 ,2 個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào) ,只有一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。clk為時(shí)鐘輸入端 ,可連接到串行口的 txd端，74ls164與數(shù)碼管接即可實(shí)現(xiàn)電壓值的顯示。第四章 調(diào)試4.1 出現(xiàn)的問(wèn)題 在調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)只顯示采集通道的編號(hào)而并未顯示通道的電壓值。 在調(diào)試過(guò)

19、程中會(huì)出現(xiàn)只顯示某一通道的電壓值而并未顯示通道的編號(hào)。 在調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)通道編號(hào)與通道電壓值并不相符合或出現(xiàn)并不存在的數(shù)據(jù)。 在調(diào)試過(guò)程中還出現(xiàn)了按下幾次按鍵數(shù)碼管并不顯示數(shù)據(jù)，而多按幾次后才會(huì)正常顯示。4.2 解決方法與改進(jìn) 出現(xiàn)上述問(wèn)題我們應(yīng)該首先檢查電路，接線有無(wú)錯(cuò)誤，是否漏線和接錯(cuò)，地線和電源線接線是否正確，仔細(xì)檢查芯片管腳連接是否正確。如檢查電路無(wú)錯(cuò)誤后，應(yīng)該檢查程序是否完整嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)槌绦蛟谟密浖抡婧蛯?shí)際硬件操作是有區(qū)別的，我們應(yīng)仔細(xì)檢查程序中的采集、延時(shí)及顯示部分，發(fā)現(xiàn)不妥及時(shí)改正然后重新下載調(diào)試。第五章 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析第一路測(cè)試結(jié)果如表5-1所示表5-1顯示值(v)50332

20、61805實(shí)測(cè)值(v)5033261805第二三四五六七路測(cè)試結(jié)果如表5-2所示表5-2通道數(shù)二三四五六七顯示值(v)504030201000實(shí)測(cè)值(v)504030201000采集部分1、采集通道數(shù)：8路2、采集精度：10位a/d轉(zhuǎn)換通訊部分1、傳輸信號(hào)電平幅度：+0v+ 5v2、傳輸線數(shù)目：2根主控制器部分1、數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)：2種（循環(huán)和手動(dòng)）2、循環(huán)顯示周期：2秒3、顯示精度：0.1v通過(guò)理論分析計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，在用軟件仿真和硬件調(diào)試時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)都非常精確，即從adc0809輸入通道采集的是某一電壓值在數(shù)碼管上顯示的即為此數(shù)據(jù)，誤差在0.1v。通道編號(hào)也能一一對(duì)上。這說(shuō)明我們所做的這套多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，能完成所需功能，能精確采集傳輸并顯示。第六章 結(jié)論及展望本設(shè)計(jì)詳細(xì)地闡述了八路數(shù)據(jù)采集器的功能，系統(tǒng)具體可分為五大功能模塊,函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤(pán)控制模塊和顯示模塊。核心以單片機(jī)控制，加上串行口和6個(gè)led數(shù)碼管為顯示模塊，不同按鍵觸發(fā)中斷為設(shè)置模塊。 充分展示了利用at