0 引言
單片機數據采集系統(tǒng)是指利用單片機對現(xiàn)場的各種信號，包括：非電量信號(如溫度、壓力、流量等)，電信號(電壓、電流)，以及開關量，頻率量信號等進行采集，存儲，顯示，傳輸的系統(tǒng)。目前，8位單片機由于其控制功能強大、品種多、價格低廉，正廣泛應用于各個領域，特別是應用在數據采集，設備控制等方面，是單片機應用中的主流機種。本文采用臺灣華邦公司生產的高性能Turbo-51系列單片機 W77E58，實現(xiàn)了一種基于單片機的通用數據采集和通訊儀的研制，具有較高的實用價值。為了使設計的數據采集儀應用方便，系統(tǒng)利用PTR2000無線數據傳輸模塊與上位機進行通訊，以便能隨時響應控制中心的PC機的數據上傳命令，將采集到的數據實時上傳給控制中心。
1 系統(tǒng)硬件設計
本文設計的通用數據采集和通訊儀能夠對各種現(xiàn)場設備的標準輸出信號進行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號；開關量信號；頻率量信號；此外系統(tǒng)還具有RS-485接口，以便能夠與現(xiàn)場具有485接口的智能儀表相連接。為了實現(xiàn)良好的人機交互，系統(tǒng)擴展了鍵盤輸入，液晶顯示，實時時鐘以及現(xiàn)場故障報警指示電路等模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
1．1 電源模塊電路設計
在單片機數據采集系統(tǒng)中，電源的設計是非常關鍵的。本儀表設計采用電網和充電電池雙電源供電。電源設計如圖2所示。
當電網電壓正常時，220V交流電經過24V穩(wěn)壓電源，電解電容器C1濾波后的電壓經二極管D1后分成兩路，一路通過三極管Q1到7805三端穩(wěn)壓芯片，完成穩(wěn)壓輸出+5V電壓，供單片機W77E58等芯片所需的電源；另一路通過電阻R1對鎳鎘電池9V進行充電，充電電流選擇約40mA。如果電網停電， C1放電為0V，這時，電池通過D2、Q1到7805向電路供電，使輸出端仍有+5V電壓，從而完成電網短時停電時，單片機后備電源的功能。
二極管D1起隔離作用，使得當電網偶爾停電時，能夠阻止電池電流流向24V穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管D3(5．6V)的作用，是防止電池(+9V)過放電，即當電池放電下降到約6V時，因D3作用，三極管Q1截止，電池放電停止，此時單片機將停電。
1．2 實時時鐘芯片DS12887
為了能夠實時顯示系統(tǒng)時間以及實現(xiàn)按時間日期保存采集到的數據的功能，系統(tǒng)擴展了一片并行實時時鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導體公司推出的實時時鐘芯片，采用CMOS技術制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關電路集成于芯片內部。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)控制及智能儀器儀表中有著廣泛的用途。
1．3 鍵盤接口電路
為便于人機交互，采用專用鍵盤接口芯片8279，配合74LS138譯碼器，系統(tǒng)擴展了3×8=24鍵的鍵盤。鍵盤上設置有0～9數字鍵，以便輸入各種信息。同時還設有各種控制按鍵。通過鍵盤能夠控制對各種類型數據進行采集。為提高CPU的效率，鍵盤采用中斷方式。
1．4 LCD液晶顯示模塊
為便于實時顯示采集的數據及人機交互，系統(tǒng)擴展了圖文液晶顯示模塊MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精電公司生產的內置SED1520控制驅動器的LCD模塊，使用簡單方便。液晶顯示模塊MGLS-12032與W77E58的硬件接口
其中D0～D7與單片機的數據總線相連，A0、A1為單片機的P0口經74LS373地址鎖存器后產生的低兩位地址線，系統(tǒng)用74LS138譯碼器產生的Y5、Y6作為MGLS12032兩個控制驅動器工作的選通信號。
1．5 模擬信號采集電路
系統(tǒng)采用12位并行A／D轉換器MAX197對傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號進行采集。MAX197是美國Maxim公司推出的多量程(本系統(tǒng)采用0-5V量程)、8通道、12位快速A／D轉換器，采用逐次逼近工作方式，片內含有高精度的參考電壓源和時鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時鐘的情況下完成一切A／D轉換功能，應用非常方便。并且MAX197內部具有輸入跟蹤／采樣保持電路，其并行輸出口很容易與單片機連接，僅需外接幾個電容即可。
MAX197與單片機的典型接口電路如圖4所示。設計采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V電壓信號。而4-20mA電流信號則經過8選 1模擬開關CD4051輪流選通，再經靈敏電阻，放大器轉化為0-5V電壓信號后，進入MAX197的CH7通道進行模數轉換，從而系統(tǒng)可以采集8路電流信號。
1．6 開關量采集電路設計
系統(tǒng)通過一片8255芯片來擴展并行口。編程使8255的A口為輸入，用于采集8路開關信號。B口為輸出，用于8路開關量的輸出。為了增強系統(tǒng)抗干擾能力，開關量輸入／輸出通道都采用光電隔離。開關量采集電路圖略。
1．7 頻率信號測量電路設計
本系統(tǒng)利用8253芯片的定時器／計數器1和2對兩路待測脈沖個數進行記數，8253的定時器／計數器0用來定時，利用W77E58有多個中斷源的特性，定時結束產生中斷，在中斷服務程序中，讀取8253定時器／計數器1和2的當前記數值，通過計算便可得到待測頻率量。
頻率信號測量電路如圖5所示。其中D0-D7與W77E58數據總線相連，單片機P2口高三位經138譯碼器譯出的Y0與8253的CS引腳相連，用來選通8253芯片，8253的A0、A1直接與低二位地址線相連，因此8253的端口地址為1FFCH～1FFFH。
1．8 串行通訊設計
利用MAX485芯片，W77E58單片機的增強串口用來擴展485接口，以便能夠與工業(yè)現(xiàn)場具有485接口的智能儀表相連接。單片機與MAX485芯片的連接只需要外加幾個電阻，非常簡便，在此不再詳述。
為了使設計的數據采集儀應用方便，系統(tǒng)利用PTR2000無線數據傳輸模塊與上位機進行通訊，以便能隨時響應控制中心的PC機的數據上傳命令，將采集到的數據實時上傳給控制中心。PTR2000是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發(fā)數據傳輸模塊。其通訊速率最高可達20Mbit／s，也可工作在其他速率，如4800bit／s、9600bit／s。系統(tǒng)無線數據傳輸原理圖如圖6所示。
PTR2000可直接與單片機的串口TXD、RXD相連接。PTR2000無線MODEM的DO和DI引腳分別連接單片機串口的RXD和TXD，這樣單片機就可以和無線數據傳輸模塊進行串行通信。PTR2000的PWR腳和單片機的P1．0腳相連，以便對無線數據傳輸模塊的電源進行管理，TXEN與單片機的P1．1腳連接，控制PTR2000無線收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉換。上位機通過PTR2000與單片機進行實時通訊。由于上位機串口通常采用RS-232 電平，而單片機串口使用的是TTL電平，故PTR2000與上位機連接時必須將TTL電平轉換成RS-232電平，系統(tǒng)采用MAXM公司的MAX232芯片進行轉換。上位機用串口的RTS與PTR2000的TXEN連接來控制PTR2000無線收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉換。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主程序首先對各接口芯片進行初始化，然后分別調用各個子程序模塊以進入各個數據采集子系統(tǒng)，并將采集到的數據存儲在32K字節(jié)的串行E2PROM AT24C256中，以備控制中心查詢，同時將對應的數據在液晶顯示器上顯示。如果系統(tǒng)接收到上位機的數據上傳命令，就將存儲在E2PROM中的數據通過 PTR2000發(fā)送給PC機。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。
串口通信程序中雙方通信協(xié)議是至關重要的，這關系到無線數據傳輸的可靠性，本系統(tǒng)約定雙方的通信協(xié)議格式如下：串行通信使用單片機的內部定時器／計數器1 作為波特率發(fā)生器，本系統(tǒng)波特率設定為4800 bit／s；幀格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗；通信采用中斷方式；上位機采用COM 1通信。在設計時，數據傳輸通道也采用光電隔離來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并且采用了CRC校驗以確保數據傳輸的準確。單片機系統(tǒng)初始化時，將單片機的 P1．1腳設置為低電平，這就可使得在默認狀態(tài)下，PTR2000處于接收狀態(tài)，以便時刻監(jiān)聽上位機的數據上傳命令。當接收到上位機的命令后，中斷服務程序將數據從單片機數據緩沖區(qū)取出，同時將模塊的接收狀態(tài)切換為發(fā)射狀態(tài)，轉換過程所需時間約5ms，然后將這些數據以FSK的調制形式發(fā)射出去， PTR2000模塊隨后恢復為接收狀態(tài)。從單片機系統(tǒng)發(fā)射的數據經上位機系統(tǒng)中的PTR2000接收，由RS232接口進行電平轉換，送進上位機，上位機對數據進行分析和處理后，向單片機系統(tǒng)發(fā)送一個確認數據包，以確認單片機系統(tǒng)數據包的正確性。上位機接收完數據后，它的PTR2000模塊又恢復為常發(fā)射狀態(tài)。如果數據在傳輸的過程中有數據丟失，上位機將要求單片機系統(tǒng)重新發(fā)送數據，直到數據全部正確為止，串行中斷服務程序如圖8所示。
3 結束語
本文利用8位單片機設計的通用數據采集系統(tǒng)，可以作為工業(yè)現(xiàn)場的遠程監(jiān)控終端來使用，也可以方便的設計成便攜式智能數據采集和通訊儀表，由于數據傳輸采用了無線方式，使其能夠非常廣泛的應用于工業(yè)上需要數據采集的場合，具有比較高的實際應用價值。
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