基于單片機(jī)的多參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書.doc

屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 引言在現(xiàn)實(shí)世界中要通過計(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)而形成的綜合技術(shù)。它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1。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。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a/d轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為能夠在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)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。本文在研究單片機(jī)技術(shù)、單片機(jī)數(shù)據(jù)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2。1.1 課題研究的背景及意義數(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)別的信號(hào)，并送入計(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)測，其中一些數(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)的市場需求量大，特別是隨著技術(shù)的發(fā)展，可用數(shù)據(jù)器為核心構(gòu)成一個(gè)小系統(tǒng),而目前國內(nèi)生產(chǎn)的主要是數(shù)據(jù)采集卡，存在無顯示功能、無記憶存儲(chǔ)功能等問題，其應(yīng)用有很大的局限性，所以開發(fā)高性能的，具有存儲(chǔ)功能的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品具有很大的市場前景3 。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，一些高性能的電子芯片不斷推出，為我們進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的更多的選擇和更多的方便，單片機(jī)具有體積小、低功耗、使用方便、處理精度高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，這些都使得越來越廣泛的選用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心處理器。一些高性能的a/d轉(zhuǎn)換芯片的出現(xiàn)也為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更多的方便，無論是采集精度還是采樣速度都比以前有了較大的提高。其中一些知名的大公司如maxim公司、ti公司、adi公司都有推出性能比效突出的a/d轉(zhuǎn)換芯片，這些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特點(diǎn)，有些芯片還具有多通道的同步轉(zhuǎn)換功能。這些芯片的出現(xiàn)，不僅因?yàn)樾酒瑑r(jià)格便宜，能夠降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本，而且可以取代以前繁瑣的設(shè)計(jì)方法，提高系統(tǒng)的集成度。本課題研究的對象是采用51單片機(jī)、串行a/d轉(zhuǎn)換器、12864中文液晶屏、基于i2c總線e2prom存儲(chǔ)器at24c1024。該系統(tǒng)可將各種標(biāo)準(zhǔn)變送器送來的模擬電信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換和程序運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)非電量的數(shù)值并實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)4。1.2 國內(nèi)外研究狀況隨著測試測量和控制應(yīng)用的要求變得愈發(fā)苛刻，數(shù)據(jù)采集(daq)板制造商正在提供吞吐速度更快、集成度更高、靈活性更強(qiáng)，且更易于編程的數(shù)據(jù)采集板。數(shù)據(jù)采集器是目前工業(yè)控制中應(yīng)用效多的一類產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集器的研究在國內(nèi)外已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且數(shù)據(jù)采集器的種類不斷增多，功能越來越強(qiáng)大，主要體現(xiàn)為體積小、功能多樣、和使用方便等方面。比如美國fluke公司的262xa系列數(shù)據(jù)采集器是一種小型、便攜、操作簡單、使用靈活的數(shù)據(jù)采集器。它可單獨(dú)使用又可與計(jì)算機(jī)連接使用，它具有多種測試功能，多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和控制方式。measurement computing公司的最新產(chǎn)品包括usb-1608hs和usb-1608hs-2a0。這些模塊提供真正同時(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)捕獲，以每通道250khz的采樣率對最多8個(gè)通道的16位單端或差分模擬輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這兩款產(chǎn)品都包含16位的數(shù)字i/o，usb-1608hs-2a0還額外包含兩個(gè)信號(hào)范圍在-10到+10v的16位模擬輸出通道【5】。 隨著baq板制造商使用速度更快的信號(hào)轉(zhuǎn)換器及其他高速設(shè)計(jì)技術(shù)，數(shù)據(jù)采樣率也在不斷增長。幾年以前，采樣率最快就是用于音頻的200ksps，由于技術(shù)進(jìn)步，目前的采樣率可以達(dá)到500ksps。今天，更多的daq板開始集成通用串行總線(usb)。除measurement computing公司之外，ni公司也發(fā)布了usb-6221和usb-6229 daq板，提供最多32個(gè)模擬輸入和250ksps的單通道采樣率。盡管從目前來看，pci和pxi是很多最新daq板中的通用接口總線，但usb卻顯示了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。由于便攜應(yīng)用的需要，usb已經(jīng)變成流行的daq總線。同pci相比，usb采集板存在等待時(shí)間較長的問題，這是因?yàn)閡sb基于操作系統(tǒng)的訪問方式和串行性質(zhì)降低了數(shù)據(jù)傳輸率【6】。在國內(nèi)，由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷發(fā)展，市場上出現(xiàn)各種新型的數(shù)據(jù)采集器。例如北京凱文斯系統(tǒng)集成系統(tǒng)有限公司e16（單端），可編程增益為1，2，4，8倍，分辨率為十六位，采用率為16位，采樣最高頻率決定于微機(jī)的cpu及處理速度，一般6080khz5。國內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器與國外的數(shù)據(jù)采集器相比，在技術(shù)上仍有一定的差距。目前國內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器在高精度、高速度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集器的現(xiàn)場處理能力等方面仍有不足，不能滿足運(yùn)動(dòng)控制、爆炸檢測、醫(yī)療設(shè)備、快速生產(chǎn)過程和變電站自動(dòng)化等領(lǐng)域的要求6。1.3 本課題主要研究內(nèi)容1.3.1 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)缴衔粰C(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)已廣泛地應(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。目前用的比較多的單片機(jī)有以下幾種：（1）mcs5l單片機(jī)mcssi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121，但現(xiàn)在以mcs51技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片祝已成為許多廠家、電氣公司竟相選用的對象，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)，,philips公司系列單片機(jī)，華邦(winbond),silicon公司出品的c9051fxxx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4kbytcs的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲(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)mcs51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fiash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域9。（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risc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)已成為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cisc(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。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11。（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)修改上于次、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lmips/mhs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，嗍輸出等功能，它也可以稱為“零外設(shè)”的單片機(jī)，具有片上系統(tǒng)(soc，system oil chip)的雛形。因此aw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、fpga avr等類別。tiny avr系列的典型芯片如tinyll、tinyl2、tinyl3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)用包括鋰電池充電器、冰箱控制和門禁系統(tǒng)等等。avrmega系列的典型芯片如atmegas,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(i c)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atmegal69能夠驅(qū)動(dòng)4x25段的lcd。usb avr單片機(jī)例如：at43usb351m集成了usb的物理層和數(shù)據(jù)鏈層的硬件協(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。fpga avk例如at94kosa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，usaiit等等外圍設(shè)備12。1.3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)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8256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。（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)的檢測。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13。1.3.3 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)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)，不需要做任何變換就可直接使用。并行方式主要用于近距離通信。計(jì)算機(jī)內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子nsl。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14。串行傳輸類型主要有以下幾種：1）r8-232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中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。路一232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+15v，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312v。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15米，最高速率為20kb/s。rs-232是為點(diǎn)對點(diǎn)(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 歐。所以rs232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。一般的計(jì)算機(jī)將comi以9pin的接頭接出15。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，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，它使一對雙絞線，將其中一線定義為a，另線定義為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?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(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“o”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rs232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)，最多可按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，故發(fā)端最大負(fù)載能力是104k+100歐(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(xonx0ff握手)或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)18。rs-422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10mb/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100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為lmb/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，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為100mb/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。只有在很短的離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1mb/s。4）usb通用串行通信接口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500 ma+5 v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19。2 基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)概述數(shù)據(jù)采集是指將各種模擬量進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，通過單片機(jī)與pc機(jī)的通信將數(shù)據(jù)傳送到pc機(jī)?；趩纹瑱C(jī)的數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示： 模擬信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換單片機(jī)pc機(jī)顯示、按鍵 存儲(chǔ)器rs232圖2.1 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可將其劃分為兩個(gè)部分：（1）單片機(jī)數(shù)據(jù)采集：包括單片機(jī)、a/d轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、按鍵電路，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及采集，pc機(jī)與單片機(jī)問數(shù)據(jù)通信：（2）pc機(jī)數(shù)據(jù)處理：對單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)的接收、處理及反饋。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本工作流程如下：（1）系統(tǒng)通過按鍵或單片機(jī)與上位機(jī)的通信設(shè)置系統(tǒng)的工作模式；（2）系統(tǒng)通過傳感器采集模擬信號(hào)；（3）采集的模擬信號(hào)通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；（4）單片機(jī)將a/d轉(zhuǎn)換器傳過來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)通過液晶屏顯示、存儲(chǔ)、或上傳上位機(jī)；系統(tǒng)的功能與技術(shù)指標(biāo)：（1） 數(shù)據(jù)采集通道11路（2） 精度：0.01%（3） 輸入信號(hào)范圍：420ma或05v（4） 環(huán)境濕度：0-90%rh（5） 環(huán)境溫度：2060（6） 供電電源：5v（ac）（7） 與上位機(jī)pc通訊接口；rs232串行接口2.2 本次設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)（1）具有采樣模式轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行單通道采樣、多通道循環(huán)采樣等采樣模式之間的轉(zhuǎn)換；（2）具有采樣頻率轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行高頻采樣、低頻采樣；（3）具有a/d轉(zhuǎn)換，按鍵觸發(fā)功能；（4）采樣所得到的結(jié)果要傳輸?shù)絧c機(jī)。2.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原則一般在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：（1）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，且符合單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的常規(guī)用法。（2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用程序設(shè)計(jì)一起考慮。軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但“軟化”的結(jié)果可能使響應(yīng)時(shí)間比硬件長。在實(shí)時(shí)性要求高的場合應(yīng)采用硬件完成。（3）系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配。（4）單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。（5）可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。2.4 系統(tǒng)硬件器件設(shè)選擇（1）貨源充足，所選單片機(jī)芯片在國內(nèi)元器件市場上貨源要穩(wěn)定充足、具有成熟的開發(fā)設(shè)備。（2）性價(jià)比要高，在保證性能指標(biāo)情況下，所用芯片價(jià)格要盡可能低，使系統(tǒng)有較高的性價(jià)比。（3）研制周期短，在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，應(yīng)考慮采用自己比較熟悉的系列、型號(hào)。2.5 單片機(jī)及編程語言的選擇目前單片機(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)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)。51系列單片機(jī)以其高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、可重復(fù)編程和方便功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在市場上得到廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用sct89c52型號(hào)的單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制中心。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部份：用于管理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的監(jiān)控程序、系統(tǒng)主程序和各項(xiàng)功能子程序。根據(jù)系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)思，按照先粗后精的方法，把整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分成多個(gè)功能獨(dú)立、大小適當(dāng)?shù)哪K。應(yīng)明確規(guī)定各模塊的功能，盡量使每個(gè)模塊功能單一，各模塊間的接口信息簡單、完備，接口關(guān)系統(tǒng)一，盡可能使各模塊間的聯(lián)系減少至最低限度。最后再將各個(gè)模塊連接成個(gè)完整的程序進(jìn)行總的調(diào)試目前單片機(jī)的程序編寫一般用c語言或者匯編語言。匯編語言是一種面向機(jī)器的程序語言，其可以直接控制硬件，指令執(zhí)行速度快，且指令時(shí)間固定，因而匯編語言的執(zhí)行效率很高。但其語言格式比較晦澀、可讀性差、難以編寫與調(diào)試，也不便于移植，影響了程序代碼的共享。與匯編語言相比，單片機(jī)c語言在結(jié)構(gòu)上更易理解、可讀性強(qiáng)、且開發(fā)速度快、可靠性好、易與移植。因此，使用單片機(jī)c語言進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，可以縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，隨著單片機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展和產(chǎn)品更新速度的提升，單片機(jī)的開發(fā)越來越側(cè)重程序本身的開發(fā)效率。因此單片機(jī)c語言已經(jīng)成為目前最流行的單片機(jī)開發(fā)語言【12】。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的原理圖見附錄1系統(tǒng)共有6個(gè)按鍵，其中button1、button2按鍵為自鎖按鍵，button2用于控制系統(tǒng)電源的通斷。s1按鍵為單片機(jī)系統(tǒng)的中斷按鍵。按鍵k1用于選擇數(shù)據(jù)采集的工作方式，本系統(tǒng)共有單路數(shù)據(jù)采集采集值只顯示、四路數(shù)據(jù)采集采集值只顯示、單路數(shù)據(jù)采集采集值顯示并存儲(chǔ)、多路數(shù)據(jù)采集采集值顯示并存儲(chǔ)四種工作方式。當(dāng)button1按下鎖定時(shí)，k2鍵用于選擇存儲(chǔ)時(shí)每次存儲(chǔ)的間隔時(shí)間。當(dāng)button1未鎖定時(shí)，k2鍵用于選擇單路數(shù)據(jù)采集時(shí)用哪一路進(jìn)行采集。int1鍵用于選擇完工作方式后的確定，按下int1鍵后系統(tǒng)便按設(shè)定的方式進(jìn)行工作。int0鍵用于單片機(jī)與上位機(jī)的通信，每按下一次int0鍵，系統(tǒng)便把當(dāng)前的采集值上傳上位機(jī)。系統(tǒng)也可根據(jù)上位機(jī)傳給系統(tǒng)的命令設(shè)定系統(tǒng)的工作方式。3.2 ad轉(zhuǎn)換及單片機(jī)電路單片機(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)電路、a/d變換器電路、按鍵電路、顯示電路等，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8-12位、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。其具體的電路方案選擇如下：（1）a/d轉(zhuǎn)換及單片機(jī)電路：對多路模擬量進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般在不要求高速采集的場合，可使用公共模數(shù)轉(zhuǎn)換器篩稱a/d轉(zhuǎn)換器)，用模擬多路開關(guān)輪流切換各路模擬量與a/d轉(zhuǎn)換器之間的通道，使得在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)，只允許一路模擬信號(hào)輸入到a/d轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的。被測信號(hào)被限定在05v之間，對于ad變換器可以選用專用變換器，也可以使用集成在mcu的變換器。對于獨(dú)立變換器，當(dāng)對信號(hào)精度和采集速度不高的情況下可以直接用8位變換器adc0809，再加上msc51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)選擇和通信。或采用ti公司的tlc1543 10位串行a/d轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成a/d轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省5l系列單片機(jī)io口資源。也可以直接用集成10位精度adc的avr megal6來對信號(hào)采集、控制和傳輸。本次設(shè)計(jì)的a/d采樣模塊采用的器件為tlcl543。tlcl543是ti公司推出的采用spi技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。具有輸入通道多、高速、高分辨率、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口等特點(diǎn)，在各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用空間。采用51單片機(jī)、tlcl543外加很少的外圍器件即可構(gòu)成一個(gè)高性價(jià)比的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)tlcl543占用單片機(jī)i/o資源較少， 使得單片機(jī)有足夠的i/o 資源去完成控制、顯示等功能。tlcl543為20腳封裝的cmos 10位開關(guān)電容逐次a/d逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)部有一個(gè)14通道多路選擇器，可以選擇11路模擬輸入通道和3路內(nèi)部自測電壓中的任意一路進(jìn)行測試。片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，eoc置高表明轉(zhuǎn)換完成。tlcl543具有高速(10微妙轉(zhuǎn)換時(shí)間)、高精度(10位分辨率，最大1lsb不可調(diào)整誤差)和低噪聲的特點(diǎn)。tlc1543的封裝如圖2.1。 圖2.1 tlc1543引腳圖tlc1543與單片機(jī)的電路連接圖如圖3.1所示。a0a10：模擬輸入端。這11個(gè)模擬信號(hào)輸入由內(nèi)部多路器選擇。驅(qū)動(dòng)源的阻抗必須小于或等于1k歐。 eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。在第十個(gè)i/o clock該輸出端從邏輯高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值椭钡睫D(zhuǎn)換完成及準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸。address：串行數(shù)據(jù)輸入端。一個(gè)4位串行地址選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換所需的模擬輸入或測試電壓。串行數(shù)據(jù)以msb為前導(dǎo)并在i/o clock的前四個(gè)上升沿被移入。在四個(gè)地址被讀入地址寄存器后，這個(gè)輸入端對后續(xù)信號(hào)無效。cs：片選端。在cs端的一個(gè)有高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并使能 data out、address、和i/o clock 一個(gè)由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止address和i/o clock。data out：用于a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的3態(tài)結(jié)果輸出端。data out在cs為高時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，而cs為低時(shí)處于激活狀態(tài)。cs一旦有有效，按照前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的msb值將data out從高阻抗?fàn)顟B(tài)變成相應(yīng)的邏輯電平。i/o clock的下一個(gè)下降沿將根據(jù)msb的下一位將data out驅(qū)動(dòng)成相應(yīng)的邏輯電平，剩下的各位依次出，而lsb在i/o clock的第九個(gè)下降沿出現(xiàn)。在 i/o clock的第十個(gè)下降沿，data out被驅(qū)動(dòng)成邏輯地電平，因而多于十個(gè)時(shí)鐘串行接口傳送的是一些“零”。i/o clock：輸入輸出時(shí)鐘端。 ref+：正基準(zhǔn)電壓比較端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為vcc）被加到ref+。最大的輸入電壓范圍取決于加于本端與加于ref-端的電壓差。ref-：負(fù)基準(zhǔn)電壓電壓端。基準(zhǔn)電壓的低端（通常為地）被加到vef-。 圖3.1 tlc1543與單片機(jī)的連接圖 3.3 顯示部分為了直接從單片機(jī)上了解當(dāng)前采集信號(hào)的信息和機(jī)器狀態(tài)?？稍趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)板安裝數(shù)碼管，也可直接用mega16驅(qū)動(dòng)一塊lcd2x16液晶屏。由于數(shù)碼管只能顯示一些數(shù)字信息，很難從這些數(shù)字了解機(jī)器的狀態(tài)，故選液晶屏更合適。本系統(tǒng)采用12864中文液晶屏，帶中文字庫的128x64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)1616點(diǎn)漢字，和128個(gè)168點(diǎn)ascii字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊20?；咎匦?（1）低電源電壓（vdd:+3.0+5.5v）（2）顯示分辨率:12864點(diǎn)（3）內(nèi)置漢字字庫，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選)（4）內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符（5）2mhz時(shí)鐘頻率（6）顯示方式：stn、半透、正顯（7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32duty，1/5bias（8）視角方向：6點(diǎn)（9）背光方式：側(cè)部高亮白色led，功耗僅為普通led的1/51/10（10）通訊方式：串行、并口可選（11）內(nèi)置dc-dc轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓（12）無需片選信號(hào)，簡化軟件設(shè)計(jì)（13）工作溫度: 0 +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 +60 模塊接口說明并行接口管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1vss0v電源地2vcc3.0+5v電源正3v0-對比度（亮度）調(diào)整4rs(cs）h/lrs=“h”,表示db7db0為顯示數(shù)據(jù)rs=“l(fā)”,表示db7db0為顯示指令數(shù)據(jù)5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,數(shù)據(jù)被讀到db7db0r/w=“l(fā)”,e=“hl”, db7db0的數(shù)據(jù)被寫到ir或dr6e(sclk)h/l使能信號(hào)7db0h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線8db1h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線9db2h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線10db3h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線11db4h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線12db5h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線13db6h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線14db7h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線15psbh/lh：8位或4位并口方式，l：串口方式（見注釋1）16nc-空腳17/reseth/l復(fù)位端，低電平有效（見注釋2）18vout-lcd驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19avdd背光源正端（+5v）（見注釋3）20kvss背光源負(fù)端（見注釋3）12864中文液晶屏與單片機(jī)的連接電路圖如圖3.2所示： 圖3.2 12864中文液晶屏與單片機(jī)的連接圖3.4 單片機(jī)與上位機(jī)通信部分 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)，放在此設(shè)計(jì)主要考慮串行傳輸方式。rs232串行通信接口技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單，只需3條普通導(dǎo)線就可以進(jìn)行雙向通信，傳輸距離較遠(yuǎn)，一般可達(dá)10m以上現(xiàn)在流行的高級(jí)語言都支持對串口的直接操作，常用的單片機(jī)也把串行通訊口作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口集成在單片機(jī)內(nèi)，開發(fā)者在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)只需增加1片rs232c與ttl電平轉(zhuǎn)換芯片就可以構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)與pc機(jī)之間的rs232c串行通訊接口。因此，rs232c串行通訊接口的開發(fā)具有開發(fā)周期短，對開發(fā)者的軟硬件水平要求不高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用rs232。如果系統(tǒng)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素，對以上幾種傳輸方式，優(yōu)選rs-232方式。本系統(tǒng)單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用rs232接口，在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)只需要增加1片rs232與ttl電平轉(zhuǎn)換芯片就可構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)與pc機(jī)之間的rs232串行通行接口。pc機(jī)的串口分為9針串口（db9）和25針串口（db25），目前比較常用的是9針串口，本系統(tǒng)用的是9針串口。系統(tǒng)已單片機(jī)為下位機(jī)，pc機(jī)為上位機(jī)，二者通過rs232串行口接收或上傳數(shù)據(jù)，由于pc機(jī)上的com口采用的是rs232電平，而單片機(jī)接口采用的是ttl電平21。兩者電平方式如下：rs232信號(hào)電平為：邏輯1（mark）-3- -15v 邏輯0（mark）+3+15v電平為ttl電平： 邏輯1為大于3.6v 邏輯0為小于0.3v所必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的方法可以選擇集成的電平轉(zhuǎn)換芯片max232來進(jìn)行rs232c和ttl電平轉(zhuǎn)換，也可以用分立的元器件組成電平轉(zhuǎn)換電路。max232用+5v為其工作，配接4個(gè)1uf電解電容既可完成rs232電平與ttl電平之間的轉(zhuǎn)換。串口與max232及單片機(jī)的連接圖如圖3.3所示： 圖3.3 串口與max232及單片機(jī)的連接圖3.5 存儲(chǔ)部分本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器采用基于i2c總線的e2prom at24c1024。at24c1024是內(nèi)含128k8位低功耗cmos的e2prom，具有工作電壓寬（2.55.5v），擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。at24c1024的1、2、3引腳a0、a1、a2是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址，4引腳為接地端，5引腳為串行時(shí)鐘輸入線，6引腳為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向i2總線串行傳送，7引腳為寫保護(hù)端，8引腳為電源。at24c1024中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加一，以實(shí)現(xiàn)對下一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫。所有字節(jié)以單一方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多大8字節(jié)的數(shù)據(jù)。帶i2c總線接口的器件可十分方便的用來將一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。盡管這種總線結(jié)構(gòu)沒有并行總線那樣大的吞吐能力，但由于連接線與連接引腳少，因而其構(gòu)成的系統(tǒng)價(jià)格低，器件間總線簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，而且在總線上增加器件不影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)的修改和擴(kuò)展性好。at24wc01/02/04/08/16/1024 支持i2c 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議i2c 總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的模式通過器件地址輸入端a0、 a1 和a2 可以實(shí)現(xiàn)將最多8 個(gè)24wc01 和24wc02 器件4 個(gè)242c04 器件,2 個(gè)24wc08 器件和1 個(gè)24wc16 器件連接到總線上。at24c1024與單片機(jī)的連接圖如圖3.4所示21： 圖3.4 24c1024與單片機(jī)的連接圖 3.6 印刷電路板的設(shè)計(jì)3.6.1 protel dxp 簡介protel dxp是在原來protel99se的基礎(chǔ)上推出了一款基于windows2000和windowsxp操作系統(tǒng)的eda設(shè)計(jì)軟件。protel dxp在前版本的基礎(chǔ)上增加了許多新的功能。新的可定制設(shè)計(jì)環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動(dòng)以及彈出面板，強(qiáng)大的過濾和對象定位功能及增強(qiáng)的用戶界面等。protel dxp是第一個(gè)將所有設(shè)計(jì)工具集于一身的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，電子設(shè)計(jì)者從最初的項(xiàng)目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。protel dxp運(yùn)行在優(yōu)化的設(shè)計(jì)瀏覽器平臺(tái)上，并且具備當(dāng)今所有先進(jìn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠處理各種復(fù)雜的pcb設(shè)計(jì)過程。通過設(shè)計(jì)輸入仿真、pcb繪制編輯、拓?fù)渥詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)融合，protel dxp 提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案22。3.6.2電路原理圖設(shè)計(jì)在繪制電路原理圖時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問題：首先，在繪制電路原理圖之前，應(yīng)該將電氣格點(diǎn)和鎖定格點(diǎn)設(shè)置為開啟狀態(tài)，可以避免導(dǎo)線與器件引腳產(chǎn)生的虛連接。其次，在完成電路圖的繪制后，進(jìn)行電氣規(guī)則檢查（erc）是一項(xiàng)非常重要的工作。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在電氣規(guī)則檢查矩陣中，設(shè)置相應(yīng)的電氣警告和電氣錯(cuò)誤的條件，erc就可以全面的分析原理圖的常見錯(cuò)誤和無效的電氣連接。 3.6.3 pcb版圖設(shè)計(jì)在印刷電路板的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該遵循一些設(shè)計(jì)的基本原則，否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作，一般的解決辦法包括布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)。（1）布局設(shè)計(jì)考慮到本設(shè)計(jì)中元器件比較多，所以我按照以下方法進(jìn)行布局。首先，按電氣性能合理分區(qū)，完成同一功能的器件應(yīng)相對集中，并調(diào)整各元器件以保證連線最為簡潔；同時(shí)調(diào)整各功能模塊間的相對位置，使功能塊間的連線最簡潔。其次，本設(shè)計(jì)中電源和地的濾波電路中的去耦電容較多，在放置去耦電容時(shí)，應(yīng)將電容盡量靠近電源、接地引腳。此外，i/o驅(qū)動(dòng)器件盡量靠近印刷板的邊線或靠近引出接插件；并且將時(shí)鐘發(fā)生器盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件。（2）布線設(shè)計(jì)布線是整個(gè)pcb設(shè)計(jì)中最重要的工序，這將直接影響著pcb板的性能好壞。在該信號(hào)源系統(tǒng)的pcb設(shè)計(jì)中，版圖使用手工布線，首先注意到該設(shè)計(jì)中絕大部分的信號(hào)線是數(shù)據(jù)線和地址線。所以在元器件位置確定后，應(yīng)該先完成它們的布線，盡可能做到成組、平行分布，同時(shí)應(yīng)盡可能的短，之后再進(jìn)行各種控制信號(hào)的布線，最后處理電源和接地引腳。在布線時(shí)，應(yīng)按照地線電源線信號(hào)線的關(guān)系加寬電源、地線寬度，地線及電源線的典型線寬值為40mil。其次，振蕩器外殼接地，時(shí)鐘線盡量短。時(shí)鐘振蕩電路下面應(yīng)加大地的面積，不走其它信號(hào)線，以使周圍電場趨近于零。采用45的折線布線，以減小高頻信號(hào)的輻射。最后在版圖布線完成后，對布線進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)，經(jīng)初步網(wǎng)絡(luò)檢查和drc檢查無誤后，對未布線區(qū)域進(jìn)行地線填充。該系統(tǒng)采用以上方式進(jìn)行布線，共有兩塊pcb板（雙面板）。系統(tǒng)的pcb版圖設(shè)計(jì)見附錄222。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)語言的選擇及其實(shí)現(xiàn)針對通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計(jì)以及各部分電路的組成，本章將對系統(tǒng)要完成的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四個(gè)基本功能展開設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)研制過程中，a/d采樣控制軟件完成了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)；串行口軟件則實(shí)現(xiàn)了和上位機(jī)的通訊、數(shù)據(jù)交互功能：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件完成對采集數(shù)據(jù)的定時(shí)存儲(chǔ)，此外還包括外圍的鍵盤控制和lcd顯示軟件。4.2 程序設(shè)計(jì)主程序?yàn)檎麄€(gè)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主體部分，它是由若干模塊組成：自檢與初始化模塊、a/d轉(zhuǎn)換程序模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵程序模塊、數(shù)據(jù)上傳通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。其中有些模塊還包含有子模塊，使用時(shí)下一級(jí)模塊被高一級(jí)模塊調(diào)用，各部分既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。主程序首先是系統(tǒng)初始化。當(dāng)運(yùn)行正常后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集軟件的主程序運(yùn)行，根據(jù)按鍵的設(shè)置或接收到的上位機(jī)命令，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基本功能。本系統(tǒng)共有四種采集方式，采集方式1程序流程圖如圖4.1所示，程序開始后首先是系統(tǒng)初始化，然后按下采集方式選擇按鍵選擇采集方式1，再按下采集通道選擇按鍵選擇采集通道，再按下確定按鍵進(jìn)入采集方式1子程序，采集方式1子程序里調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示設(shè)定的采集方式和選定的通道，然后調(diào)用a/d子程序采集信息，再調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示采集結(jié)果，接著判斷是否上位機(jī)上有命令出來或上傳上位機(jī)的按鍵按下，若有則進(jìn)入中斷程序執(zhí)行上傳程序，下一步判斷是否有停止按鍵按下或有上位機(jī)傳來停止命令，若有則畫面顯示停止前的采集值。在程序執(zhí)行過程中若有復(fù)位鍵按下則程序重新從開始斷開始執(zhí)行。 圖4.1 采集方式1的程序流程采集方式2的程序流程圖如圖4.2所示，程序開始后首先是系統(tǒng)初始化，然后按下采集方式選擇按鍵選擇采集方式2，再按下確定按鍵進(jìn)入采集方式2子程序，采集方式2子程序里調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示設(shè)定的采集方式，然后調(diào)用a/d子程序采集信息，再調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示采集結(jié)果，接著判斷是否上位機(jī)上有命令出來或上傳上位機(jī)的按鍵按下，若有則進(jìn)入中斷程序執(zhí)行上傳程序，下一步判斷是否有停止按鍵按下或有上位機(jī)傳來停止命令，若有則畫面停止在停止前采集值。在程序執(zhí)行過程中若有復(fù)位鍵按下則程序重新從開始斷開始執(zhí)行。 圖4.2 采集方式2程序流程圖采集方式3程序流程圖如圖4.3所示，程序開始后首先是系統(tǒng)初始化，然后按下采集方式選擇按鍵選擇采集方式3，再按下采集通道選擇按鍵選擇采集通道，再按下確定按鍵進(jìn)入采集方式3子程序，采集方式3子程序里調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示設(shè)定的采集方式和選定的通道，然后調(diào)用a/d子程序采集信息，再調(diào)用液晶屏顯示子程序顯示采集結(jié)果，再調(diào)用存儲(chǔ)子程序存儲(chǔ)采集信息，接著判斷是否上位機(jī)上有命令出來或上傳上位機(jī)的按鍵按下，若有則進(jìn)