1、數據采集與通信系統軟件設計摘要 面對大量的數據，人工處理已遠遠無法滿足時代的要求，依靠微電子技術來實現數據的采集、存儲和顯示，成為適應時代步伐的唯一有效捷徑。本系統采用模數轉換、微處理器、存儲器等芯片來實現8路數據的采集，將采集的信號進行存儲，按時間上傳到上位機pc，通過不同模式的選擇進行數據采集、查詢、打印和顯示等。在文中較系統的介紹了從模擬信號到數字信號的轉換過程和討論了轉換過程中的技術參數等問題，并進行了系統存在的一些誤差分析。數據采集系統分為數據采集部分和顯示控制部分。數據采集部分主要負責數據的采集，將從調理電路送過來的信號進行量化，把模擬量變成數字量。顯示部分主要是把采集來的數據進行

2、顯示，并控制各通道數據采集的次序，它采用8279作為鍵盤顯示接口器件，用硬件完成對顯示器和鍵盤的掃描，用開關矩陣控制各通道數據采集的次序，用led進行數據的顯示。關鍵詞：單片機，數據采集，查詢，上位機通信abstractthe face of large amounts of data, manual processing far can not meet the requirements of the times, relying on micro-electronics technology to achieve data acquisition, storage and display,

3、 as the pace of the times the only effective shortcut. the system uses analog-digital conversion, microprocessor, memory and other chips to achieve the 8-channel data acquisition, storage signals will be collected by time uploaded to the host computer pc, by the choice of different modes of data cap

4、ture, query, print and display, etc. in the paper a more systematic introduction of the analog signals to digital signals from the conversion process and discuss the technical parameters of the conversion process and other issues, in the end, we also conducted a systematic analysis of the existence

5、of a number of errors. data acquisition system is divided into the data collection and display control section. the data collection is mainly responsible for data collection, sent over from the signal conditioning circuit to quantify, the analog into digital. showing some of the major is to show the

6、 data gathered, and control the order of the channel data acquisition, which uses 8279 as the keyboard and display interface device, complete with hardware, monitor and keyboard scanning, with the switch matrix control the order of the channel data acquisition with led display data.key words: signal

7、 chip micro-computer 、acquisition、pc-communcation目 錄摘要i第1章 前 言11.1設計的研究意義11.2系統的現狀和發展趨勢11.3設計的主要任務2第2章數據采集系統總體功能介紹和說明32.1 系統實現的功能32.2 系統各部分的功能32.2.1 信號調理部分42.2.2 數據處理部分6第3章 數據采集系統硬件設計93.1 主要芯片介紹93.1.1 8051ah的功能特點93.1.2 adc0809的功能特點113.1.3 lf398芯片介紹133.2 功能模塊電路設計143.2.1 數據采集模塊電路設計143.2.2 查詢打印模塊電路設計18

8、第4章 數據采集與通信系統軟件設計204.1單片機數據采集的分析與設計224.2單片機與pc通信的分析與設計234.3查詢，打印功能的實現27第5章 誤差分析29結束語30致 謝31參考文獻32附錄33第1章 前 言1.1設計的研究意義 數據采集系統的任務就是將采集到的模擬信號轉換成計算機能識別的數字信號，然后送入計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數據。并將計算得到的數據進行顯示或打印，以便實現對某些物理量的實時監控。在生產生活的各個領域，數據采集系統幾乎無處不在，凡是有自動監測及控制的地方都會有數據采集系統的身影出現；從簡單到復雜，從空中、地面到地下，凡是能想象到的地方都有使用數據采集系

9、統的需求。因此，對本課題的研究有極其廣闊的發展前景和巨大的經濟價值。數據采集系統起始于20世紀50年代，由于數據采集測試系統具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統方法不能完成的數據采集和測試任務，因而得到了初步的認可。到了70年代中后期，數據采集系統發展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數據采集系統，另一類是工業現場數據采集系統。就使用的總線而言，實驗室數據采集系統多采用并行總線，工業現場數據采集系統多采用串行數據總線。隨著微型機的發展，誕生了采集器、儀表同計算機溶為一體的數據采集系統。由于這種數據采集系統的性能優良，超過了傳統的自動檢測儀表和專用數據采集系統，因此獲得了驚人的發展。隨著計算

10、機的普及應用，數據采集系統得到了極大的發展，開始出現了通用的數據采集與自動測試系統，該階段的數據采集系統主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器、通用接口總線和計算機等構成。例如，國際標準ice625（gpib）接口總線系統就是一個典型的代表。這類系統主要用于實驗室，在工業生產現場也有一定的應用。第二類以數據采集卡、標準總線和計算機構成，例如：std總線系統。這種接口系統采用積木式結構，把相應的接口卡裝在專用的機箱內，然后由一臺計算機控制。第二類系統在工業現場應用較多。這兩種系統中，如果采集測試任務改變，只需將新的儀用電纜接入系統或將新卡再添加到專用的機箱即可完成硬件平臺的重建，顯然，這種系統比專用

11、系統靈活得多。1.2系統的現狀和發展趨勢 時至今日，由于集成電路制造技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠性的數據采集系統。在國際上技術先進的國家，數據采集技術已經在軍事、航空電子設備及宇航技術、工業等領域被廣泛應用。目前有的das（data acquisition systems數據采集系統）產品精度已達16位，采集速度每秒達到幾十萬次以上，數據采集技術已經成為一種專門的技術，在工業領域得到了廣泛的應用。該階段數據采集系統采用更先進的模塊式結構，根據不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統編程，就可擴展或修改系統，迅速地組成一個新的系統。該階段并行總線數據采集系統向高速、模塊化和即

12、插即用方向發展，典型系統有vxi總線系統，pci總線系統等，數據位已達到32位總線寬度，采樣頻率可以達到100msps。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊，可以充分保證其穩定性及可靠性，但其昂貴的價格是阻礙它在自動化領域普及的一個重要因素。串行總線數據采集系統向分布式系統結構和智能化方向發展，可靠性不斷提高，數據采集系統物理層通信，由于采用rs485雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術得到了不斷發展和完善。其在工業現場數據采集和控制等眾多領域得到了廣泛的應用。由于目前局域網技術的發展，一個工廠管理層局域網，車間層的局域網和底層的設備網已經可以有效地連接在一起，可以有效地把多

13、臺數據采集設備聯在一起，以實現生產環節的在線實時數據采集與監控。隨著現代生產規模的擴大和生產水平的不斷提高，對生產過程自動化水平也相應地提出了更高的要求。目前采用單片機控制并利用編程的方式，可以很方便地發出控制命令和改變系統中控制器的算法與計算參數；尤其是在需要進行一些復雜而又精確的計算時，采用單片機來進行運算，在提高運算速度和精度等方面都顯示了無可比擬的優越性。模擬控制器由于受元件等因素的影響，在制作和實現采集等方面具有一定的局限性，如在控制器有很大的時間常數時，模擬控制器的電容器的體積就相當可觀；但若采用單片機來實現大的純延遲時間的控制器就顯得非常方便的，如要改變參數，只要調整程序，而不需

14、要更改更多的硬件。1.3設計的主要任務 以單片機為核心設計一個數據采集系統，可以完成數據的多重采集和多個數碼管顯示測量結果，同時保證采集數據的準確性。最后并用打印機記錄數據。第2章數據采集系統總體功能介紹和說明 在檢測系統中，各個組成部分是以信息流的過程來劃分的。檢測時，首先獲取被測量的信息，并通過信息的轉換把獲得的信息變換為電量，然后進行一系列的處理，再用指示儀或顯示儀將信息輸出，或由計算機對數據進行處理，最后把信息輸送給執行機構。所以一個檢測系統主要分為信息的獲得、信息的轉換、信息的處理和信息的輸出等幾個部分，如圖2-1。圖2-1 系統的框圖2.1 系統實現的功能1、8路數據采集：可以進行

15、8路05v的模擬電壓進行循環采集，每路采集的8次，超出界限led顯示報警，將采得的數據求平均。2、及時保存數據：對采集的數據按時間及時進行保存。3、數字實時顯示：led將實時顯示采集的數據，并且能夠顯示查詢時輸入的查詢量和查詢到的數據。4、可以將采集的數據及時上傳到上位pc機功能。2.2 系統各部分的功能要完成這些功能主要依靠傳感器、信號處理電路、顯示裝置、數據處理裝置和執行機構等。其具體組成框圖如圖2-2 所示。 傳感器串口rs2328051單片機模數轉換 信號 處理鍵盤電路盤存儲器led顯示模塊時鐘信號圖2-2 系統功能實現圖被檢測的各種參數（溫度、流量、壓力、位移、速度等）由傳感器變換成

16、易于后續處理的電信號。由于傳感器輸出信號太弱或信號質量不高，應經過前端預處理電路進行放大、濾波等，然后經過數據采集系統轉換成數字量，并通過接口送入存儲器，經過單片機運算、變換處理后，由數據分配子系統和接口輸出到執行機構，由基本系統及其接口輸出用于顯示、記錄、打印或繪制成各種圖表、曲線等。此外，其他儀器儀表或系統通過通信子系統及接口完成相互之間的信息交換和互連。所以我們把微機自動檢測系統也常稱為計算機數據采集系統，或簡稱為數據采集系統。微機自動檢測技術不僅能解決傳統的檢測技術不能或不易解決的問題，而且能簡化電路、增加功能、提高精度和可靠性等，還能實現人腦的部分功能，使自動檢測系統具有智能化，實現

17、代替人工自動檢測的目的，隨著微機自動檢測技術的不斷發展，自動檢測系統會變得更加智能化、多功能化。2.2.1 信號調理部分 信號調理電路的主要作用就是把傳感器輸出的電學量變成具有一定功率的模擬電壓信號或數字信號，以推動后級的輸出顯示或記錄設備、數據處理裝置及執行機構。根據測量對象和顯示方法的不同，信號處理電路可以是簡單的傳輸電纜，也可以是由許多電子元件組成的數據采集卡，甚至包括計算機在內的裝置。如圖2-3 傳感器前置放大濾波器多路模擬開關傳感器前置放大濾波器傳感器前置放大濾波器. . . . .圖2-3 信號調理圖 （1）傳感器接收被測量（如物理量、化學量、生物量等），然后才能將其變換為另一種與

18、之有確定對應關系，并且容易測量的量（通常為電學量）。它是一種獲得信息的重要手段，它所獲得信息的正確與否，關系到整個檢測系統的精度，因而在非電量檢測系統中占有重要的地位。 （2）從傳感器過來的信號較小（常用熱電偶的輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間，電阻應變片輸出電壓的變化只有幾個毫伏，人體生物電信號僅是微伏級）。因此需要加以放大才能滿足大多數a/d轉換器的滿量程輸入05v的要求。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，因此需要的放大器種類也很多。例如，為了減少輸入信號的共模分量，就采用各種差分放大器、儀用放大

19、器和隔離放大器；為了使不同數量級的輸入電壓都具有最佳變換，就產生了量程可以變換的程控放大器；為了減少放大器輸入的漂移，就產生了斬波為零和激光修正的精密放大器。（3）傳感器以及后續處理電路中的器件常會產生噪聲，人為的發射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲，常見的工頻信號就是人為干擾源。為了提高模擬輸入信號的信噪比，常常需要使用濾波器對噪聲信號進行一定的衰減。（4）在數據采集系統中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關來實現，這樣可以簡化設計，降低成本。多路模擬開關可以分時選通多個通道中的某一路通道。因此，在多路模擬開關后的單元電路，如采樣/保持電路、模

20、/數轉換電路以及處理電路等，只需要一套即可，這樣可以節省成本和體積，但這僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數十至數百毫秒之間的情況下。因為這時可以使用普通的微秒級a/d轉換器從容地分時處理這些信號。但當分時通道較多時，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當信號頻率較高時，使用多路開關后，對a/d轉換速率要求也隨之上升。在數據通過率超過4050khz時，一般不宜使用分時的多路開關。模擬開關也可以根據需要安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關的類型；若選用繼承電路的模擬多路開關，由于它比干簧和繼電器組成的多路模擬開關導通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差產生。所以要根據

21、具體情況來選擇多路模擬開關。2.2.2 數據處理部分存儲單片機a/ds/h查詢數據通信顯示圖2-4數據處理框圖 從傳感器采集來的數據經過信號調理電路，信號做好了模數轉換的準備。模擬信號要變成數字信號，首先要經過采樣，采樣保持器是快速拾取輸入信號的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高a/d轉換器的轉換精度，如果把采樣保持電路放在模擬多路開關之前（每通道一個），這可實現對瞬時信號同時進行采樣。 數據采集的采樣方式有兩種選擇：一為“實時采樣”；一為“等效時間采樣”。 （1）實時采樣：數據采集開始后，信號波形的第一個采樣點即被采入并數字化，經過一個采樣間隔后。再采入第二個采樣點，這樣一直將整個信號波形數字

22、化并存入存儲器中。為了不丟失被采樣信號所攜帶的信息，實時采樣的采樣頻率應滿足采樣定理（香農定理）的要求，當采樣頻率不滿足采樣定理時將產生信號混疊現象，使采樣后波形中增加了額外的低頻成分，造成失真，引起誤差。在工程上采樣頻率應取被采樣信號所含最高頻率的兩倍通常采用10-20倍 。實際測量時信號往往會混入各種噪聲，諧波成分豐富，頻帶很寬，智能儀表的采樣速度很難達到采樣定理的要求，這時就應在a / d 轉換之前加入抗混疊模擬濾波器，濾掉多余的高頻分量。 除了“定時采樣”（等間隔采樣）外，“實時采樣”通常使用“變步長采樣”，即“等點采樣”。這種方法不論被測信號頻率如何，一個信號周期內均勻采樣的點總數為

23、n個。由于采樣周期隨被測信號周期變化，故通常稱之為“變步長采樣”。 （2）“等效時間采樣”技術要求信號波形是可以重復產生的。由于波形可以重復取得因此采樣可以用較慢的速度進行，采集的樣本可以是時序的（步進、步退、差額），也可以是隨機的。這樣就可以把許多采集的樣本合成一個采樣密度較高的波形。評價智能儀表數據采集部分的主要技術指標有分辨率、精度、輸入信號形式和信號電平、采集速度，抗干擾能力，設計時應根據被測變量的信號特性，儀表的整機技術要求，確定這些指標的具體數值。 采樣保持電路輸出的信號送至a/d轉換器，a/d轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化的速度不同，系統對分辨率、精度、轉換速率

24、及成本的要求也不同。因此a/d轉換器的種類也比較多。早期的采樣保持電路和a/d轉換電路需要數據采集系統設計人員自行設計，目前普遍采用單片集成電路，有的單片a/d轉換器內部包括有采樣保持電路、基準電源和接口電路，這為系統設計提供了較大方便。a/d轉換器將結果輸出給計算機，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。 模數轉換器的任務在于把一個未知的連續的模擬輸入信號（通常為電壓）轉換為數字信號，即微型計算機能接受的二進制數。以進一步用于處理、顯示、記錄、查詢和傳輸。模擬輸入信號的采樣脈沖應做得很窄，以便在采樣脈沖空余時間可以進行多路復

25、用。這個多位數是二進制分數，代表這個未知輸入電壓vex與adc的滿刻度電壓vs.的比值，adc是微機數據采集系統的關鍵部件，它的性能往往直接影響整個系統的技術指標。本系統采用的adc0809采用的是逐次逼近式，此種轉換器采用一種極有效的方案來改變比較器的參考輸入，從而只需要n個時鐘周期就能完成n位轉換。 單片機系統是整個計算機數據采集系統的核心。單片機控制整個計算機數據采集系統的正常工作，并且把a/d轉換器輸出的結果讀入到內存，進行必要的數據分析和數據處理。單片機還需要把數據分析和處理之后的結果寫入存儲器以備將來分析和使用，通常還需要把結果顯示出來。 數據采集系統的數據與機器時間是一一對應的，

26、一個數據唯一的對應一個數據，這就方便了數據查詢和顯示。為了得到機器時間，本系統采用了晶振得到需要的機器時間。 為了讓系統便于操作，按照需要和設定模式進行運行，那就需要人機交互裝置鍵盤。從鍵盤發出指令，進入不同的模式，實現不同的功能。 測量的目的是使人們了解被測量的數值，所以必須有顯示裝置。顯示裝置的主要作用就是使人們了解檢測數值的大小或變化的過程。目前常用的顯示方式有模擬顯示、數字顯示、圖像顯示三種方式。 ( l ）模擬顯示是利用指針對標尺的相對位置來表示被測量數值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特點是讀數方便、直觀，結構簡單，價格低廉，在檢測系統中一直被大量使用。但這種顯示方式的精度受標尺最小

27、分度限制，而且讀數時易引入主觀誤差。 ( 2 ）數字顯示是指用數字形式來顯示測量值，目前大多采用 led 發光數碼管或液晶顯示屏等，如數字電壓表。這類檢測儀器還可附加打印機，打印記錄測量數值，并易于計算機聯機，使數據處理更加方便。 ( 3 ）圖像顯示是指用屏幕顯示（ crt ）讀數或被測參數變化的曲線，主要用于計算機自動檢測系統中。如果被測量處于動態變化中，用一般的顯示儀表讀數就十分困難，這時可將輸出信號送給計算機進行圖像顯示或送至記錄儀，從而描繪出被測量隨時間變化的曲線，并以之作為檢測結果，供分析使用。 本系統采用的是第二種方案，此方案設計簡單，成本較低，實用于不同場所。第3章 數據采集系統

28、硬件設計 在整個系統中硬件是基礎，也是系統設計的基礎，硬件系統的建立才使系統有運算的可能，硬件的參數決定了系統的技術參數。本系統硬件包括數據采集模塊、數據處理和存儲模塊。3.1 主要芯片介紹 在系統設計中，硬件系統設計和軟件系統設計兩者相互滲透，不可分離。在硬件設計中盡量采用了功能強大的芯片，以減化電路，提高系統電路的集成度和可靠性。功能強大的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產工藝的提高，新型芯片的價格不斷下降，體積不斷縮小，具有很高的性價比，是硬件設計的首選。3.1.1 8051ah的功能特點圖3-1 8051ah管腳排列 mcs-51系列單片機是1980年intel公司推出的8位單片機系列

29、，由于它良好的性價比，此后其他一些公司也相繼研制并生產mcs-51系列單片機8051及其兼容芯片。因此，這個系列成為主流單片機。它主要特性如下： （1）具有兩級中斷優先處理能力，可管理5個中斷源，且都有自動轉入的中斷入口地址；（2）內含定時器/計數器，工作方式可編程選擇；（3）有32條i/o線，輸入輸出操作功能強，可直接帶外設；（4）布爾處理功能強，可擴展用途；（5）內部ram和寄存器有位尋址功能；（6）外部具有獨立的64k程序存儲空間和64k數據存儲空間；（7）有全雙工串行接口，波特率可編程設置；（8）有多種型號，且不同型號的內部程序存儲器不同，用戶可根據需要選用。 管腳功能： p0.7p0

30、.0：p0口是一個漏極開路型準雙向i/o口。在訪問外部存儲器時，它是數據總線和地址總線低8位分時復用的接口：在eprom編程時，在接收指令字節；在驗證程序時，輸出指令字節，并要求外接上拉電阻。 p1.7p1.0：p1口是帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口，它是通用i/o端口。在eprom編程和程序驗證時，它接受低8位地址。 p2.7p2.0：p2口是帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口。在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址；在對eprom編程和程序驗證時，接受高8位地址。 p3.7p3.0：p3口是帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口，它是雙功能i/o端口。除基本輸入/輸出功能外每個引腳還有專用功能，其

31、專用引腳功能： p3.0：rxd串行數據接收 p3.1：txd串行數據發送 p3.2：int0外部中斷0請求輸入 p3.3：int1外部中斷1請求輸入 p3.4：t0定時器0外部計數脈沖輸入 p3.5：t1定時器1外部計數脈沖輸入 p3.6：wr外部數據存儲器寫信號 p3.7：rd外部數據存儲器讀信號 rst/vpd：復位引腳，這是一個雙功能引腳，復位/備用電源： 復位功能rst：單片機的復位是靠外部電路實現的。在振蕩信號正常運行情況下，只要rst引腳保持兩個機器周期以上時間的高電平，系統復位。 備用電源功能vpd：當vcc掉電時，在vcc下降到操作系統允許極限之前，rst/vpd引腳接上備用

32、電源，向內部ram供電，這時系統處于一種低功耗方式。當vcc恢復時，備用電源仍然保持一定時間，以便完成復位操作，然后重新開始工作。 xtal1和xtal2是mcs-51系列單片機的時鐘引腳。兩引腳連接于單片機內部的一個高增益反向放大器，用于與外部振蕩源一起構成振蕩電路。其中xtal1為該放大器的輸入引腳，xtal2為該放大器的輸出引腳。 ale：地址鎖存信號，輸出。給應用系統中的地址鎖存器提供鎖存控制信號，實現地址/數據分時復用。在每一個機器周期（movx指令除外）出現兩個ale正脈沖，當ale為高電平時，地址鎖存的輸出隨輸入變化（這時p0口輸出的是低8位地址信息）；當ale有高電平變成低電平

33、時，鎖存器將地址鎖定，即輸出不再隨輸入變化（p0口可傳送數據信息）。另外，ale信號還可以作為應用系統中頻率要求較低的其他部件的時鐘信號、計數信號等。 prog：片內程序存儲器編程脈沖，輸入。對于eprom型單片機，在對片內程序存儲器編程時，該引腳輸入編程脈沖信號。 ：外部程序存儲器讀寫信號，輸出，低電平有效。由于mcs-51系列單片機外部程序和外部數據存儲空間是獨立的，但地址是重疊的，因此除了在指令上加以區分外，控制信號也有所不同。、是用于讀/寫數據存儲器的，而是用于讀程序代碼的，他在應用系統中接程序存儲器的讀控制端。在訪問外部程序存儲器時，在每個機器周期，兩次有效。 ：內、外程序存儲器選擇

34、信號。當訪問該地址范圍的存儲單元時，由于mcs-51系列單片機的片內程序存儲器地址與片內程序是重疊的，所以用引腳電平來區分是訪問內部程序存儲器，還是訪問外部程序存儲器。當=“1”時選擇訪問單片機內部的程序存儲器；當=“0”時選擇訪問外部的程序存儲器。 vpp：片內程序存儲器編程電壓。對于eprom型單片機，在對片內eprom編程時，vpp引腳輸入21v的編程電源電壓。 vcc：+5v工作電壓。正常工作時vcc引腳接+5v電源電壓。 vss：接地端。正常工作時vss引腳接地。3.1.2 adc0809的功能特點圖3-2 adc0809管腳排列 adc0809數據采集元件是單片cmos器件，具有8

35、位模/數轉換器、8通道的多路開關以及和微處理器相兼容的控制邏輯，這個8位a / d 轉換器使用逐位逼近作為轉換技術。該轉換器的主要特點是：具有一高阻抗斬波穩定比較器，帶有模擬開關樹的256r分壓器、以及一逐位逼近寄存器， 8個通道的模擬開關可以直接訪問8個單端信號中的任何一個。 該器件取消了外部調零和滿量程調整。鎖存及譯碼的多路地址輸人和鎖存的ttl三態輸出使該器件易于和微處理器接口。 集許多a / d 轉換技術于一體， adc0808和adc0809 的設計被優化，它們提供高速、高精度、最小溫度相關性、極好的長期精度和可重復性以及最小功耗。這些特點使該器件非常適合于從過程和機器控制到消耗裝置

36、及自動化的應用。 主要指標： 分辨率 8 位 線性誤差士l / 2lsb 單電源 5vdc 低功耗 15mw 轉換時間 100us 分辨率為1/ 28 0.39 % 模擬電壓轉換范圍是 0 - +5 v 標準轉換時間為100ms 各引腳功能如下： in0in7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個a/d轉換器。 ale：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。 start：啟動a/d轉換信號，輸入高電平有效。上升沿時將轉換器內部清零，下降沿時啟動a/d轉換。 eoc：轉換結束信號，輸出高電平有效。 oe：輸出允許信號，輸入高電平有效。該信號用來打開三態輸出

37、緩沖器，將a/d轉換得到的8位數字量送到數據總線上。 d0d7：8位數字量輸出。d0為最低位，d7為最高位。由于有三態輸出鎖存，可與主機數據總線直接相連。 clock：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為640khz時，a/d轉換時間為100ms。 vr+，vr-：基準電壓源正、負端。取決于被轉換的模擬電壓范圍，通常vr+ = +5v dc，vr- = 0v dc。 vcc：工作電源， +5vdc。 gnd：電源地 零點調整：這是當輸入電壓是1 / 2lsb （滿量程10.24v 時為20mv ) ，輸出從11111111 變為 11111110 。在大多數情況下，可以在引腳5上接一1k電位器來實

38、現。在引腳5和地之間接一475電阻是實現零點調整的最好近似。 滿量程調整：這是當輸入電壓是滿量程1/2lsb ( 10.24v 量程時比滿量程低60mv ，輸出從0000000l 變為00000000。沒有調整時，adc 0809的這個電壓在士1/2lsb范圍內，在大多數情況下，在引腳15上加上1k的電位器可實現這個調整。 3.1.3 lf398芯片介紹圖3-3 lf398an(8)管腳排列 lf398是單片采樣/保持器放大器，它使用bi-fet技術以獲得快速捕捉信號的超高直流精度和低下降率。作為一個單獨的增益跟隨器工作，其直流增益精度典型值為0.002 %，采集時間低至6s在0.01精度時，

39、一個雙極性輸入級用于實現低偏差電壓和寬范圍帶寬。用一個引腳來達到調整輸人偏差，并且不降低輸入偏差漂移。寬范圍帶寬使lf198可放于1mhz運算放大器反饋回路內，而不引起穩定性問題。輸人阻抗允許使用高源阻抗，而且不會使精度降低，使用1f的保持電容，p通道結型場效應管與在輸出放大器的兩極性器件一起，實現低至5mv分鐘的下降率。jfet比以前設計中所用的mos器件具有更低的噪聲，而且沒有高溫時的不穩定性。總體設計確保在保持模式下，從輸入到輸出沒有藕合，即使對輸人信號等于電源電壓的情況也是如此： 工作在5v18v 電源下 低于10us采集時間，與ttl , pmos , cmos邏輯輸人兼容 在 ck

40、=0.01uf下，0.5mv的保持階躍 低輸人偏差 0.002的增益精度 在保持模式下的低輸出噪聲 lf398 的邏輯輸入是完全差分的，具有低輸入電流，允許與 ttl、pmos 和lmos直接連接差分閥值為1.4v。lm198的工作電源為5v18v。3.2 功能模塊電路設計以8051為cpu設計一個單片機應用系統，在其外部擴展64kb sram，本系統數據采集模塊以adc0809為核心，lf398采樣保持來實現一秒中采集8次數據，輸出數字量直接與總線的數據線連接，從而掛在總線上的存儲器，打印機，led很方便的進行數據讀取。3.2.1 數據采集模塊電路設計 如果在數據采集器中，直接使用模數轉換器

41、對模擬信號進行轉換，則應該考慮到任何一種模數轉換器都需要有一小段時間來完成量化及編碼操作。模數轉換器的轉換時間決定于轉換的位數、轉換方法、采用的器件等因素。如在轉換時間tconv內，輸入模擬信號仍在變化。此時進行量化顯然會產生一定的誤差。 現在考慮對正弦波信號采樣，在轉換時間tconv內，信號電壓的最大改變發生在正弦信號過零時，所以 而在轉換時間tconv內最大可能的 由此可以得出：其中f為輸入的正弦信號頻率。所以數字化的最大正弦信號頻率可用下式計算。 其中m為模數轉換器adc的分辨率。在本系統中m=8，tconv =100us帶入公式就可得 如果我們在數據采集器的模數轉換器adc前再加一個采

42、樣保持放大器sha（它的任務是把要轉換的信號快速采樣后保持一段時間，以備轉換用），這相當于在adc轉換時間內可開一個窄“窗孔”，將此窗孔開啟瞬間內的模擬信號以量化形式記錄下來，此窗孔稱為“孔徑時間”ta，ta一般遠小于轉換時間tconv。顯然，如在孔徑時間ta內，輸入模擬信號仍在孔徑時間ta內，輸入模擬信號仍在變化時進行量化，會引入一定的誤差，稱其為“孔徑誤差”，仍考慮對輸入的正弦信號采樣，那么對m位adc，并采用sha的數據采集器。則數字化的最大正弦信號頻率為： 如欲以8位分辨率去量化1khz的正弦波，可計算出所需孔徑時間為160ns，根據給定的在正弦信號頻率與adc的分辨率確定要求的孔徑時

43、間。 這樣，數據采集時在模數轉換器adc前采用采樣保持放大器sha，就解決了adc轉換時間較長與分辨率要求較短的孔徑時間的矛盾，其實質是把模擬信號的離散化與量化分兩步進行。sha先完成模擬信號的離散化。adc接著進行離散信號的量化。最終獲得所需要的數字信號。圖3-4數據采集模塊硬件圖 數據采集模塊是將從調理電路送過來的信號進行量化，把模擬量變成數字量的模塊，a/d轉換過程（即采樣信號的量化過程）需要時間，如果輸入信號變化較大，就會引起轉換誤差。所以在a/d轉換前，加上保持器做信號保持。保持器把時刻的采樣值保持到a/d轉換結束。t為采樣周期。采樣控制電平為“1”，保持控制電平為“0”，offse

44、t用于零位調整。保持電容是外接的，其取值與采樣頻率和精度有關，常選用5101000pf。減小可提高采樣頻率，但會降低精度。而且應該選用聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高質量電容器作。 在本系統中根據采樣時間、電壓下降率等取為0.01f，這樣信號達到0.01%精度的獲取時間為25s，保持期間的輸出電壓下降率為每秒3mv。也就是說a/d轉換器的轉換時間為100s，轉換期間，保持器輸出電壓下降約0.3v。a/d轉換器的任務是完成采樣信號到數字信號的轉換，adc0809是逐次逼近式，轉換時間為100s的8位轉換器，它的線性誤差為1/2lsb，抗干擾能力較強，比較適合于信號變化緩慢，現場干擾嚴重的場合。 8位a/

45、d轉換器的分辨率約為0.0039，轉換精度在0.4以下, 這對一些精度要求比較高的控制系統而言是不夠的，因此要采用更多位的a/d轉換器，如10位、12位、14位等a/d轉換器。轉換時序圖如下： alec.b.astartoedo71eoc 圖3-5 轉換時序圖 其轉換過程表述如下：首先ale的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關中的某一路，使該路模擬量進入到a/d轉換器中。同時start 的上升沿將轉換器內部清零，下降沿起動a/d轉換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉換結束信號eoc即變為低電平。當轉換結束后，eoc恢復高電平，此時，如果對輸出允許oe輸入一高電平命令，則可讀出數據。

46、 a、b、c：3位地址線即模擬量通道選擇線。ale為高電平時，地址譯碼與對應通道選擇見表3-6。cba選中通道000int0001int1010int2011int3100int4101int5110int6111int7表3-6 地址譯碼與對應通道選擇表 adc0809的量化單位 本系統基準電壓 ， 此時q=（5.12-0）/=20mv， 轉換結果d= a/d轉換器與單片機的硬件接口一般有兩種方法，一種方法是通過并行i/o接口與8051a單片機連接（例如8155或8255）需要占用兩個并行口（其中一個端口接a/d轉換器數據線，另一個端口用來產生a/d轉換器工作控制信號）；第二種接口方法是利用

47、adc0809轉換器三態輸出鎖存功能，可以直接與8051的總線連接，在系統中把adc0809轉換器當作外部ram單元對待。 系統中的adc0809轉換器的片選信號由p2.7線選信號控制，若假設地址中的無關位均為1，則其通道in0-in7的地址為7ff8h-7ffffh。當8051產生寫信號時，則由一個或非門產生轉換器的啟動start和地址鎖存信號ale（高電平有效），同時將地址總線信息由a，b，c輸入并鎖存，模擬量通過被選中的通道送到a/d轉換器，并在start信號下降沿時開始逐位轉換。當轉換信號結束時，轉換結束信號eoc變高電平。經反相器可向cpu發送一個高電平信號。當8051產生讀信號時，

48、則由一個或非門產生oe輸出允許信號（高電平有效），使a/d轉換結果讀入8051單片機。3.2.2 查詢打印模塊電路設計圖3-7 查詢打印模塊硬件圖用鎖存器或用8155都可以作鍵盤顯示器的接口。但它們共同的缺點是，需要編制定時掃描顯示和掃描鍵盤的程序，使整個系統軟件變得比較復雜。本系統采用的intel8279是一個專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對顯示器和鍵盤的掃描。在硬件上它占用兩個地址，在軟件上省去了顯示和鍵盤掃描，使用程序變得簡潔、易讀和模塊化。db0db7是數據線，與cpu總線相連。當=0時，選中8279。此時若a0=1。數據線上的信息是命令或狀態。若a0=0，數據線上的信息是顯示數據

49、或鍵盤數據。即a0=1、=0命令寫到定時器與控制寄存器去，對8279進行編程，=0讀fifo/傳感器ram狀態寄存器的內容；a0=1、=0數據寫到顯示ram，=0讀顯示ram或fifo/傳感器ram的內容。掃描計數器通過sl0sl3輸出掃描信號，掃描信號分為譯碼和編碼兩種。顯示寄存器通過outa和outb同步輸出顯示ram的內容。這一過程8279通過硬件自動完成，無需程序干預。掃描輸出和回掃線可以構成對鍵的一個掃描陣列。當有鍵按下時，該鍵在行列中的位置上shift和cntl的狀態一起被送到fifo存儲器中，同時使irq變高。fifo/傳感器ram是一個88ram，在鍵盤和選通方式工作時，它是f

50、ifo存儲器，其輸入或讀出遵循先入先出的原則。此時fifo狀態寄存器存儲器空、滿、益處等狀態。當fifo存儲器有數據時，irq信號變為高電平。在傳感器矩陣方式工作時，這個存儲器是傳感器ram，它的每一位對應著一個傳感器的狀態。當傳感器變化時。irq信號變為高電平。系統通過按鍵來選擇工作的模式，當按下“#”鍵，系統就進入到查詢模式，屏幕顯示清零狀態，等待數據的輸入，當輸入數據時，屏幕顯示輸入的數據，當數據輸入完畢以后，系統進行數據的查詢，查詢到的數據統統顯示在屏幕上，如過此時按下打印鍵“#”，系統就進入打印模式，把查詢到的數據打印出來。第4章 數據采集與通信系統軟件設計上一章我們對系統的幾個主要

51、硬件部分進行了介紹，這些構成了數據采集和通信系統的硬件基礎。但是，光有這樣的硬件，還只是具有了計算的可能。系統要真正能夠進行按照我們設計的意愿進行工作還必須有軟件的配合。軟件是利用mcs一51匯編語言編制的，并利用了最優化方法，使其在具有較多的功能條件下，占有較少的地址空間同時采用了浮動地址，使程序在不同地址的條件下，不需要改動就能完成各種設計功能，從而方便了調試與應用，并使整體軟件系統具有較大的靈活性。開始初始化（鍵盤、顯示、存儲、打印）讀adc0809狀態（是否空閑）讀打印機狀態（是否空閑）設置各通道數據存放地址段判斷鍵盤送來的字符查詢模式通信模式數據采集模式結束圖4-1 系統流程圖采用鍵

52、入不同的值進入不同的模式，進行各種不同功能的實現，如果在沒按下“#”鍵以前有鍵按下，判斷為誤操作，程序不予處理，當按下“#”鍵時，系統進入采集模式，當鍵入的是“*”鍵時，系統進入的是通信模式，當在數據采集模式下鍵入的是“#”鍵時，系統就進入了查詢模式，如果需要將查詢到的數據打印出來，就需要再一次按下“#”鍵，從而使系統完成各項功能。main ： 查詢是否有鍵閉合lcall key；查詢鍵閉合，調鍵盤處理子程序lcall dir；調顯示子程序sjmp main；鍵盤處理子程序key： mov dptr，#7fffhmov a，#40h；寫讀掃描鍵命令movx dptr,#7effh;movx a

53、,dptr;掃描鍵值anl a，#3fhmov dptr，#ktabmovc a，a+dptr;查表轉換成有序編碼cjne a，#0ah，key1key1： jc pdata；是數字鍵，轉pdata處理subb a，#0ah；以下為命令處理mov b，#03hmul abmov dptr，#comtabjmp a+dptrcomtab: ljmp find;是*鍵轉到查詢打印處理ljmp give；是#鍵轉通信處理 本系統采用的是adc0809，它是具有8路通道模擬開關、通道選擇邏輯（地址鎖存與譯碼）、8位a/d轉換器以及三態輸出鎖存緩沖器，他可以實現8路通道的切換和采集數據的鎖存，adc08

54、09的轉換時間為100us，線形誤差為1/2lsb。按照時間和通道進行存儲，這是是為了方便查詢的方便，也是保存數據的常用方式，采集模式就工作在查詢的模式下。進入數據查詢模式我們就可以根據輸入的時間來查詢那一時刻所存儲的數據，按下打印鍵，系統將為你進行把所查詢到的數據進行打印。系統如果工作在通信模式下的話，將進行與pc機的通信，進行數據傳輸。過從鍵盤送來的不同鍵值選擇不同的工作模式；接受到“*”系統將自動進入到查詢和打印模式， 接受到“#”系統將自動進入打印狀態，再一次接受到“#”的時候系統將返回到數據采集狀態。4.1單片機數據采集的分析與設計在程序開始時經過初始化后，設置各個通道界限值，然后通

55、道號置為0，采集次數也置為0，就保證了采集次數和通道的開始是正確的，啟動數據采集，將采集到的數據進行存儲，接著進行第二次數據的采集，當采集到預定的采集次數時，將調用計算平均值子程序，計開 始初 始 化通道號置為 0采集次數置0啟動數據采集調判越界子程序采集次數+1計算平均值到n次調存儲子程序調顯示子程序通道號+1通道號=9？ynyyn算出采集的數據，再把這個數據進行判斷是否在正常范圍之內。 圖4-2數據采集流程圖 adc0809的轉換結束信號eoc接8051的p1.1。因此，當轉換結束時，自動向cpu發出采集完信號，cpu判斷，將轉換數據讀到累加器，然后存入存儲單元。 啟動adc轉換時，首先要

56、想對應通道（由c，b，a端編碼決定）發出寫操作信號。這包括三個意思：發出c、b、a編碼和cs信號，它們共同決定選中的通道；使ale信號為高電平，鎖存c、b、a編碼（通道地址低3位）；使start信號為高電平，啟動轉換。這與寫操作的內容是無關的。 （1）各通道采集數據平均值存儲單元分配：使用單片機內部數據存儲單元 in0in7 分別對應 50h57h （2）各通道界限值存儲單元分配：使用單片機內部數據存儲單元。 in0：下限值x0min占用58h in0：上限值x0max占用59h in1in7 上限值分別保存在5a60h （3）堆棧區設在65h7fh（單片機內部數據存儲單元） 系統將循環采集各

57、個通道的數據，因為各個信號和通道要求不同，本系統設計了不同的采集次數和不同的上限和下限。通道上限下限采集次數int0f0h10h8int1e8h8int2e0h8int3d8h8int4d0h8int5c8h8int6c0h8int7b8h8圖4-3 采集次數對應的上限下限表 依據不同的上下限，不同的采集次數，得到的數據就會有些差異，依據此就可以用于不同的數據采集，用于采集不同頻率的數據和信號。4.2單片機與pc通信的分析與設計 隨著計算機系統的應用和微機網絡的發展，通信功能越來越顯的重要。這里所說的通信是只單片機與上位機pc的信息交換。因此，通信既包括計算機與外部設備之間，也包括單片機和計算

58、機之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，成本底，易于實現，因此，特別適合于遠距離傳輸。對于那些與計算機相距不遠的人機交換設備和串行存儲的外部設備如終端、打印機、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數據也很普遍。開 始開 始ti及串行口初始化，設置波特率線路狀態初始化，設置波特率發送寄存器空？接受緩沖器空？是ffh發握手信號（ffh）接受握手信號（ffh）掛 鉤接收寄存器空是00h？發送緩沖器？空？發送緩沖器空？接收應答信號發應答信號（00h）發總的測量次數及鍵值接收測量次數和鍵值發累加校驗和形成累加和sumr接收累加和sumrsumr=sumt？接收回

59、答信號接收寄存器空是00h發00h正確信號發eeh錯誤信號8051單片機通信流程nynynnynynynyypc機通信流程圖4-4單片機、pc機通信流程pc機和單片機在進行通信時，首先分別對各自的串行口進行初始化、確定串行口工作方式、設定波特率、傳輸數據長度等，然后才開始數據傳輸，這些工作是由軟件來完成的，因此對pc機和單片機均需設計相應的通信軟件。 通過和上位機的握手，實現信號的互通，建立溝通，實現在數據輸入過程中，數據1位1位地從外設進入接口的“接收移位寄存器”，當“接收移位寄存器”中已接收完1個字符的各位后，數據就從“接收移位寄存器”進入“數據輸入寄存器”。cpu從“數據輸入寄存器”中讀取接收到的字符。（并行讀取，即d7d0同時被讀至累加器中）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收時鐘”確定。mov scon，52h；初始化串行口mov tmod，#20hmov th1，#0fdh；波特率設置mov tl1，#0fdhsetb trlagin：mov a，#0ffhlcall out ；發握手信號lcall in ；收應答信號cjne a，#00h，agn；開始發送測量數據out：mov subf，a；發送子程序jbc t1，end1sjmp outend1：retin：jbc r1，end2；接收子程序sjmp inend2：mov a，subf r