基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

1、 年 月 日題 目：基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計專 業(yè)：機械設計制造及其自動化姓 名： （簽名） 指導教師： （簽名） 摘 要本文介紹了基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理和結構，針對制動器使用過程中摩擦材料需憑經驗定期更換，無法準確判斷其失效程度的現(xiàn)狀，設計了對制動器制動時的磨損量可以進行測量的硬件和軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用位移傳感器進行檢測，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)了摩擦材料位移量(磨損量)在線檢測及存貯，當位移超出范圍時，發(fā)出報警信號1。單片機數(shù)據(jù)采集智能檢測系統(tǒng)的研制成功，將解決長期以來依據(jù)經驗更換摩擦材料的問題，為制動器更換摩擦材料提供了一個比較科學的依據(jù)，有效地減少不必要的人

2、力和材料的浪費，降低了安全隱患，提高了機器運行的可靠性，具有十分重要應用價值2。關鍵字：單片機；磨損；數(shù)據(jù)采集Subject:Design of Data acquisition system based on single chipAbstract This article describes has based on single tablets machine of data acquisition system of work principle and structure , for brake using process in the friction material requi

3、red with experience regularly replaced , cannot accurate judgment its failure degree of status , design the amount of wear and tear on brakes braking can measure of hardware and software systems, the system using displacement sensor for detection , by single tablets machine for data processing and a

4、nalysis , implementation has friction material displacement volume wear volume online detection and the storage ,when the displacement goes out of scope , issued alarm signal . Intelligent detection system of SCM data acquisition is successful, will solve the problem of friction materials has long b

5、een based on experience to be replaced, for the replacement of brake friction material providing a more scientific basis, effectively reducing the unnecessary waste of manpower and materials, reduces security risks, improve the reliability of the machine running, is of great value. Keywords : SCM ;

6、wear; data acquisition目 錄1 緒論11.1 數(shù)據(jù)采集技術的分類11.2 數(shù)據(jù)采集21.3 信息提取31.4 本文的主要工作42 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理62.1 系統(tǒng)構架和工作原理62.2 基本要求62.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史與發(fā)展73 檢測系統(tǒng)硬件設計103.1 單片機的選擇103.2 位移傳感器的選擇144 基于單片機的數(shù)據(jù)采集的檢測系統(tǒng)方案設計164.1 位移的檢測方法164.2 如何實現(xiàn)位移的測量184.3 位移線性化的分段依據(jù)205 檢測系統(tǒng)軟件設計225.1 A/D轉換的子程序225.2 參數(shù)在SPI_EEPROM中存放的地址設置235.3 通訊協(xié)

7、議245.3.1 什么是通訊協(xié)議245.3.2 數(shù)據(jù)幀格式245.3.3命令及返回格式255.4各命令的編程295.3 位移傳感器的數(shù)據(jù)線性化336 結論37致謝38參考文獻39381 緒論 數(shù)據(jù)采集技術主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理, 以微型計算機等高技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發(fā)展和普及,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術,廣泛應用于工農業(yè)等需要同時監(jiān)控位移、溫度和壓力等場合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對獨立的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn),作為

8、測控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)3。1.1 數(shù)據(jù)采集技術的分類 工業(yè)上使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大致可分為四類4: (1)基于通用微型計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 這種系統(tǒng)主要功能是將采集來的信號通過外部的采樣和A/D轉換后的數(shù)字信號通過接口電路送入微機進行處理，然后再顯示處理的結果或者經過D/A轉換輸出。它主要有以下幾個特點：1 系統(tǒng)較強的軟、硬件支持。通用微型計算機系統(tǒng)所有的軟、硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)工作。2 具有自主開發(fā)能力。3 系統(tǒng)的軟硬件的應用/配置比較小，系統(tǒng)的成本較高，但二次開發(fā)時，軟硬件能較好的擴展。4 在工業(yè)環(huán)境中運行的可靠性差，對放置的環(huán)境要求較高。程序在R

9、AM中運行時，易受外界干擾破壞。 (2)基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 它是由單片機及其一些外圍芯片構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有如下特點：1 系統(tǒng)不具備自主開發(fā)能力。因此，系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具。2 系統(tǒng)的軟硬件設計與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的要求為原則，因此系統(tǒng)的軟硬件應用充分，配置比接近于1，具有最佳的性價比；系統(tǒng)的軟件一般都具有應用程序。3 系統(tǒng)的可靠性好，使用方便、簡單。應用程序在ROM中運行不會因外界的干擾而遭到破壞，而且上電后系統(tǒng)立即進入用戶狀態(tài)。 (3)基于DSP數(shù)字信號微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DSP數(shù)字信號微處理器從理論上就是一種單片機的形式，DSP數(shù)字信號微處理器與

10、通用微處理器相比，除了它們的機構不同以外，其基本差別是：DSP數(shù)字信號微處理器有能力響應和處理采樣模擬信號得到的數(shù)據(jù)流。常用的數(shù)字信號處理芯片有兩種類型，一種是專用DSP芯片，另一種是通用DSP芯片?；贒SP數(shù)字信號微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點如下：精度高、可靠性高、靈活性好、容易集成、分時復用等，但同時其價格不菲。 (4)基于混合型計算機采集系統(tǒng) 這是-種近年來隨著8位單片機出現(xiàn)而在計算機應用領域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結構形式。它是由通用計算機與單片機通過標準總線相連而成。單片機及其外圍電路構成的部分是專為數(shù)據(jù)采集等功能的要求而配置的。主機則承擔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機對話、大容量的計算、打印、記

11、錄、圖形顯示等任務?；旌闲陀嬎銠C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點： 1 通常具有自開發(fā)能力。2 系統(tǒng)配置靈活，易構成各種大中型測控系統(tǒng)。3 主機可遠離現(xiàn)場而構成各種局域網(wǎng)絡系統(tǒng)。4 充分利用主機資源，但不會占有主機的全部CPU時間。1.2 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的采集是以單片機為核心控制器件，結合外圍電路所構成?；窘M成如圖1.1所示：輸出通道單片機輸入通道 圖1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成采集系統(tǒng)器件主要包括傳感器、A/D轉換器、單片機、I/O接口電路等。由單片機作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個步驟：數(shù)據(jù)采集將被測信號轉換為能被單片機所識別的信號并輸入給單片機；數(shù)據(jù)處理是由單片機執(zhí)行以測試為目的的算

12、法程序后，得到與被測參數(shù)對應的測量值或形成相應的決策與判斷；數(shù)據(jù)輸出是將處理結果送給輸出設備，進行顯示、儲存等操作。主機一個采集系統(tǒng)的構成，根據(jù)所測信號的特征而定。一定要滿足系統(tǒng)的性能要求。本文被采集的信號（位移）只有一個，所以采用單通道數(shù)據(jù)采集，如圖1.2所示：I/O模/數(shù)(A/D)采樣/保持（S/H）傳感器（S） 模擬 信號 圖1.2 單通道數(shù)據(jù)采集框圖1.3 信息提取 信息的提取一般采用傳感器件來完成。傳輸信息的載體是信號，為了便于對被測信息進行后續(xù)處理，通常是將被測信息轉換成電信號，也就是把被測信號轉換成電壓、電流或其它電路參數(shù)等電信號輸出。 一般來講信號的轉換存儲與傳輸需要中間轉換裝

13、置來完成，通常是把信號轉換成便于傳輸、功率足夠大，并具有一定驅動功能的電流或電壓。 信號的顯示和記錄是用顯示器、指示器和記錄儀來完成。信號的處理和分析可以用數(shù)據(jù)分析儀、計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)來完成，找出被測信息的變化特征及變化規(guī)律，為研究和鑒定工作提供有效的依據(jù)，也可以為系統(tǒng)的控制提供反饋信號。 總的來講，檢測技術具有如下三種功能 (1)過程中參數(shù)測量功能； (2)過程中參數(shù)監(jiān)測控制功能；(3)測量數(shù)據(jù)分析判斷功能；傳感器是作為一種把輸入的非電量(物理量、化學量、生物量等)信息轉換成電量信號輸出的器件或裝置，其構成核心是把非電量信息轉換為電信號的轉換元件。這種轉換功能，對物性型傳感器可一次完成，實

14、現(xiàn)“被測非電量一有用電量”的直接轉換；而結構型傳感器必須通過前置敏感元件預轉換后才能完成，即實現(xiàn)“被測非電量一有用非電量一用電量”的間接轉換。此時，傳感器就由敏感元件、轉換元件和其他輔助元件組成。對于不同的檢測量，要根據(jù)被檢測量的特征及其在試驗過程中的變化情況來選用符合實際情況的傳感器。本課題測試系統(tǒng)選用的傳感器是位移傳感器。 1.4 本文的主要工作制動器的制動是靠摩擦片和摩擦盤之間的摩擦力矩產生，摩擦片在工作中很容易磨損，而其中的摩擦片磨損程度檢測現(xiàn)在是靠人工來完成，通過后蓋上的測量孔對制動器進行定期檢查。由于這種制動器制動力矩大，往往裝在重型設備上，這些設備的工作環(huán)境惡劣，使人工檢測不容易

15、進行或容易產生誤差，無法真實反映出摩擦材料的磨損情況，更不能反映出由于摩擦熱而引起的破壞程度或潛在的熱疲勞程度。 對以上制動器出現(xiàn)的問題，我們可以設計一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)由PDA現(xiàn)場設置，解決了制動器磨擦片磨損量實時測量問題，可以真實反映出摩擦材料的磨損情況。本文的具體設計包括硬件設計、軟件設計和位移檢測三大部分。(1)硬件部分硬件部分分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。整體硬件框圖如圖1.3所示。單片機上位機數(shù)字型號采集電路LED顯示通信芯片單通道A/D傳感器電路 圖1.3 整體硬件框圖數(shù)據(jù)采集部分可以對常見的模擬信號量，如溫度、位移、流量、速度等進行采集。每一種信號量都能使用不同的傳感器。

16、擴大了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用范圍，具有較強的通用性。(2)軟件部分 軟件部分分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)處理程序設計兩部分。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件使用Keil uVision4編寫。在功能上，滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本要求。界面簡單，操作方便、容易。數(shù)據(jù)處理程序由A/D通道、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信四個部分組成。（3） 位移檢測 位移檢測是由于位移的改變而影響采集系統(tǒng)的輸出電壓的改變，我們可以通過輸出電壓的改變而得到位移的改變情況，由于所給磁場的強度不恒定，所以輸出電壓與被測位移不成線性關系，所以位移檢測的主要工作就是實現(xiàn)輸出電壓與被測位移的線性化。2 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理2

17、.1 系統(tǒng)構架和工作原理系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。上位機為PDA機或電腦，完成發(fā)送控制命令，接收下位機的反饋數(shù)據(jù)并顯示出來的功能。下位機是C8051F單片機和位移傳感器。它是系統(tǒng)的核心，完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉換，數(shù)據(jù)存儲，接受指令，數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。下圖為數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的原理圖，工作對象為位移的測量，通訊方式為串行接口。在下文中將重點介紹系統(tǒng)中位移數(shù)據(jù)采集，并通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信部分功能的實現(xiàn)過程。如圖2.1所示： 電源 單片機 電腦 AD轉換器 傳感器 圖2.1 原理圖2.2 基本要求 （1）實時性強。系統(tǒng)的主要工作是對大量過程狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)定時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、進行實時數(shù)據(jù)分析等。要

18、求在硬件上必須要有實時時鐘和優(yōu)先級中斷信息處理電路。 （2）可靠性高。它是系統(tǒng)設計最重要的一個要求。應選用高可靠性的嵌入式系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往是安裝在被控對象的實際工作環(huán)境中，所以不僅溫度、濕度變化大，而且灰塵多，腐蝕性強，為了確?？刂葡到y(tǒng)的高可靠性，要求嵌入式系統(tǒng)有防潮、防塵、抗震的能力。硬件采取冗余技術，隔離屏蔽技術等。在軟件設計上要可靠，利用容錯技術，自診斷技術等，設置安全保護措施。 （3）通用性好，便于擴充。一臺以嵌入式系統(tǒng)為核心的控制裝置，一般可以控多個設備和不同的過程參數(shù)。這就要求系統(tǒng)的通用性要盡可能的好，能靈活地進行功能擴充。如采用通用的系統(tǒng)總線結構。 （4）設計周期短、價

19、格便宜。由于計算機技術日新月異，各種新技術新產品不斷涌現(xiàn)。在滿足精度、速度和其它性能的設計要求的前提下，應縮短設計周期和盡量用價格低的元器件6。2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史與發(fā)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀50年代,1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標是測試中不依靠相關的測試文件，由非熟練人員進行操作，并且測試任務是由測試設備高速自動控制完成的。 由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務，因而得到了初步的認可。 大約在60年代后期，國外就有成套的數(shù)據(jù)采集設備產品進入市場，此階段的數(shù)據(jù)采集設備和系統(tǒng)大多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀7

20、0年代中后期，隨著微型機的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。 從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言，實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。20世紀80年代隨著計算機的普及應用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(tǒng)。 該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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

21、(GPIB)接口總線系統(tǒng)就是一個典型的代表。這類系統(tǒng)主要用于實驗室，在工業(yè)生產現(xiàn)場也有一定的應用。 第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標準總線和計算機構成，例如：STD總線系統(tǒng)是這一類的典型代表。這種接口系統(tǒng)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(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場應用較多。這兩種系統(tǒng)中，如果采集測試任務改變，只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng)，或將新卡再添加到專用的機箱即可完成硬件平臺重建，顯然，這種系統(tǒng)比專用系統(tǒng)靈活得多。20世紀80年代后期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化，工業(yè)計算機、單片機和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，使系統(tǒng)的成本降低、體積減小、功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力

22、大大加強。20世紀90年代至今，在國際上技術先進的國家，數(shù)據(jù)采集技術已經在軍事、 航空電子設備及宇航技術、工業(yè)等領域被廣泛應用。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。目前有的DAS產品精度已高達16位，采集速度每秒達到幾十萬次以上。數(shù)據(jù)采集技術已經成為一種專門的技術， 在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進的模塊式結構，根據(jù)不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統(tǒng)編程，就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和即插即用方向發(fā)展，典型系統(tǒng)有VXI總線系統(tǒng),PCI、PXI總線系統(tǒng)

23、等,數(shù)據(jù)位已達到32位總線寬度，采樣頻率可以達到100MSPps。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(wěn)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。 但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領域取得了成功的應用。 串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結構和智能化方向發(fā)展，可靠性不斷提高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(wǎng)技術的發(fā)展，一個工廠管理層局域網(wǎng)，車間層的局域網(wǎng)和底層的設備網(wǎng)已經可以有效地連接在一起，可以有效地把多

24、臺數(shù)據(jù)采集設備聯(lián)在一起，以實現(xiàn)生產環(huán)節(jié)的在線實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控3。3 檢測系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)總體方案設計基本原則是：1. 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠2. 及時準確地顯示出系統(tǒng)當狀況3. 具備較好的性價比根據(jù)以上原則，總體方案如圖3.1：參數(shù)及采集數(shù)據(jù)存電路單片機位移傳感器 報警電路調試及上位機電路電源 圖3.1 檢測系統(tǒng)的總體方案圖3.1 單片機的選擇單片機是整個檢測系統(tǒng)的核心部件，負責著對檢測信號進行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲和報警功能，單片機的選用原則是在滿足測試系統(tǒng)要求的條件下，需要具有一定的靈活性和擴展功能。本系統(tǒng)選用8051系列單片機3。C8051F330/1系列器件使用Silicon Labs的專利CI

25、P-51 微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準 803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，包括 4個16位計數(shù)器/定時器、一個具有增強波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、768字節(jié)內部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達 25MIPS）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內），真正10位200 Ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器 ，10位電流輸出 DAC高精度可編程的 25MHz 內部振蕩器，8KB可在系統(tǒng)編程的

26、FLASH存儲器，768字節(jié)片內 RAM硬件實現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口，4個通用的16位定時器，具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），片內上電復位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，片內電壓比較器，17個端口I/O（容許5V輸入）。 主要特性6：（1） 高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，最高25MIPS執(zhí)行速度； （2）全速非侵入式的系統(tǒng)調試接口（片內，C2接口）； （3） 真正10位200ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器； （4）1個10位電流型輸出DAC； （5） 高精度可編程的25MHz內

27、部震蕩器； （6）8K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器； （7）768（512+256）字節(jié)的片內RAM； （8） 硬件實現(xiàn)的SPI，SMBus/I2C和1個UART串行接口； （9）4個通用的16位定時器； （10） 具有3個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列； （11） 片內上電復位，看門狗定時器，1個電壓比較器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器； （12）17個I/O端口； （13） -4085度工業(yè)級溫度范圍； （14）2.7V3.6V工作電壓，20腳DIP或MLP封裝。 單片機電路圖如圖3.2，負責對位移檢測信號進行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲和報警功能。 圖3.2 單片機電路圖C8051F

28、330的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個16通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置（見圖3.3）。ADC0可以工作在單端方式或差分方式，可以配置為用于測量P0-P1、位移傳感器輸出或VDD(相對于P0-P1或GND)。只有當ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1時ADC0子系統(tǒng)才能被使用。當ADC0EN位為0時，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗關斷方式5。模擬多路選擇器（AMUX0）選擇ADC的正輸入和負輸入（見表3-1），P0-

29、P1、位移傳感器輸出和正電源（VDD）中的任何一個都可以被選擇為正輸入：P0-P1、VREF和GND中的任何一個都可以被選擇為負輸入。當GND被選擇為負輸入時，ADC0工作在單端方式：在所有其他時間，ADC0工作在差分方式。ADC0的輸入通道由寄存器AMX0N選擇。轉換碼的格式在單端方式和差分方式下是不同的。每次轉換結束后，寄存器ADC0H和ADC0L中保存ADC轉換結果的高字節(jié)和低字節(jié)。轉換數(shù)據(jù)在寄存器對ADC0H:ADC0L中的存儲方式可以是左對齊或右對齊，由AD0LJST位的設置決定。當工作在單端方式時，轉換碼為10位無符號整數(shù)，所測量的輸入范圍為0-VREF*1023/1024.下面是

30、單端方式下數(shù)據(jù)左對齊和右對齊的例子。ADC0H和ADC0L寄存器中未使用的位被設置為0。 圖3.3 ADCO功能框圖表3-1模擬多路選擇器選擇ADC的正輸入和負輸入輸入電壓左對齊的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左對齊的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*1023/10240X03FF0XFFC0VREF*512/10240X02000X8000VREF*256/10240X01000X400000X00000X0000 當工作在差分方式時，所測量的輸入范圍為-VREF-VREF*511/512.下面是差分方式下數(shù)據(jù)左對齊和右對齊的例子(見表3-2)。對于右對齊數(shù)

31、據(jù)，ADC0H寄存器中未用的高位填充數(shù)據(jù)字的符號擴展位。對于左對齊數(shù)據(jù)，ADC0L寄存器中未用的低位被清0。表3-2 差分方式下數(shù)據(jù)左對齊和右對齊輸入電壓左對齊的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左對齊的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*511/5120X01FF0X7FC0VREF*256/5120X01000X400000X00000X0000-VREF*256/5120XFF000XC000-VREF0XFE000X8000 需要特別注意的是，被選擇為ADC0輸入的引腳被設置為模擬輸入，并且應被數(shù)字交叉開關跳過。要將一個端口引腳配置為模擬輸入。應將PnMDI

32、N(n=0.1)寄存器中對應位置0。為了使交叉開關跳過一個端口引腳，應將PnMDIN(n=0.1)寄存器中的對應位置1。3.2 位移傳感器的選擇本課題選擇A1391線性霍爾效應傳感器，其集成電路 (IC) 提供直接與所適用磁場成比例的電壓輸出。放大前，典型的霍爾效應 IC 的靈敏度（以1mV/G 為單位）與流經 IC 內部霍爾效應傳感器元件的電流直接成比例。在許多應用中，要使霍爾效應傳感器 IC 獲得充分的靈敏度水平，如果不消耗3mA以上的電流是很難實現(xiàn)的。A1391通過添加用戶可選擇的休眠方式將電流消耗減少至不超過 25A。這就使這些器件更適合于電池供電型應用。最終用戶可以通過將邏輯電平信號

33、施加于SLEEP引腳來控制A1391的電流消耗。器件輸出在休眠模式中是無效的（高阻抗模式）。高阻抗輸出功能允許多個A1391霍爾效應器件與單個交流至直流轉換器輸入相連接。（見圖3.4）根據(jù)標準設置，器件的輸出電壓與 SUPPLY 引腳的電壓不成比例。盡管A1391中的電路具有低功率消耗，但高精度線性霍爾效應 IC 所要求的各項功能并未因此受到損害。每個器件都具有 BICMOS 單片電路，該電路集成了已經改進的溫度補償霍爾效應電路，以降低霍爾元件、小型信號高增益放大器和專有動態(tài)偏移取消電路所固有的靈敏度漂移。在下線時進行的后封裝出廠編程可確保對器件靈敏度和偏移的精確控制。 這些器件采用 2.0

34、3.0mm, 0.75mm 標準高度微型引腳小型封裝 (MLP/DFN)。 圖3.4 位移傳感器電路1) 休眠方式中的高阻抗輸出 2) 兼容 2.5 至 3.5V 電源 3) 有源模式中10mW功率消耗 4) 微型 MLP 封裝 5) 溫度穩(wěn)定的靜止輸出電壓和靈敏度 6) 較寬的環(huán)境溫度范圍：20C 到 85C 7) ESD 保護超過 3kV 8) 高可靠性 9) 最后測試時預設靈敏度和偏移4 基于單片機的數(shù)據(jù)采集的檢測系統(tǒng)方案設計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集的檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是：制動器摩擦片磨損量的實時檢測和超過所設置的磨損量時向PLC發(fā)出報警信號。本章根據(jù)現(xiàn)有的位移檢測方法來制定出一個合理的

35、智能檢測方案。4.1 位移的檢測方法位移測量根據(jù)不同的測量范圍、精度要求、測量條件、安裝方式等有多種測量技術。根據(jù)傳感器的變換原理，常用的位移測量傳感器類型有：電阻式、電阻應變式、電感式、電容式、霍爾元件、感應同步器、光柵磁柵等。1. 利用電阻來測量的傳感器有電阻應變式和電位器式。1 電阻應變式位移傳感器是一種利用電阻應變效應將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。壓電式位移傳感器由于壓電元件的特性，它只適用于不斷變化的位移測量測量。應變片式傳感器，用于由力或熱產生變形的測量。2 電位器式是位移傳感器利用移動電位器觸點改變電阻值來測量位移，它可用于中、小位移測量，用于精度要求不高的場合。其優(yōu)點

36、是結構簡單，成本低。2. 利用電感的位移傳感器有自感式、互感式、電渦流式、感應同步器。1 自感式位移傳感器是通過改變磁路磁阻使線圈自感變化，利用線圈自感的改變來實現(xiàn)非電量與電量的轉換。其基本結構含線圈、鐵芯、銜鐵三個部分。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管插鐵型。電感式傳感器主要用于小位移量的測量，測量精度高，用于小偏差測量可達亞微米精度。傳感器輸出阻抗小，有較強的抗干擾能力。廣泛用于各種測量，包括加工中的測量，它可用于幾至幾百赫茲變化量的測量。2 互感式位移傳感器是通過改變互感來檢測，互感式傳感器亦稱變壓器式傳感器，它與電感式傳感器不同在于互感式傳感器是先把被測量的變化轉換成線圈相互的互感變化

37、，再經變換成為電壓信號輸出。變壓器式傳感器以差動形式為最常用，也稱差動變壓器。變壓器式傳感器的特點和應用范圍與電感式傳感器大致相同，但高精度場合使用電感傳感器的情況較多。3 電渦流式傳感器是利用電渦流現(xiàn)象改變線圈自感、阻抗的原理，基本結構包括變換器和探頭兩個部分。變換器由測量電路組成，探頭主要是由一個固定在框架上的扁平線圈組成，一般放在端部。它主要用于尺寸和位移參數(shù)的測量，可用于不接觸，可達微米級的精度。4 感應同步器是利用兩個平面繞組的互感隨位置不同而發(fā)生變化的原理來測量，感應同步器主要用于大位移的測量，可測量長達幾米的線位移，它的輸出阻抗低，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高。3. 磁電式傳感器

38、是通過磁電作用將被測量轉換成電信號的一種傳感器。利用磁電效應的位移傳感器有霍爾式、磁柵式和磁敏式。1 霍爾式傳感器是利用半導體霍爾元件的霍爾效應。當一個導體通過與外磁場垂直的電流時，在導體的與磁場及電流方向均垂直的方向上，會產生一個電勢差。這個電勢差與外磁場的磁感應強度及電流大小成正比，固定電流大小，電勢差與外磁場的磁感應強度成正比。利用一次線圈產生外磁場，那么電勢差與一次電流成正比，這就是霍爾傳感器的原理?；魻栐哂薪Y構牢靠、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等污染或腐蝕等優(yōu)點。2 磁柵式傳感器是利用磁頭和磁柵相對移動，從而在磁頭上感應出電

39、信號，此類傳感器屬于數(shù)字式傳感器，與另外一種數(shù)字式傳感器（感應同步器）的特點及使用范圍相似，但精度略低于感應同步器。磁柵式傳感器用于大位移與360度以內角位移的測量。3 磁敏式傳感器是以固體中的磁電轉換效應為基礎，因載流半導體在磁場中有磁電效應（霍爾效應）而輸出電勢，該類傳感器主要有磁阻傳感器、磁敏二極管、磁敏三級管等。4. 光電式傳感器有：一般形式、光纖式、光學編碼器式和光柵式。1 一般形式是通過改變光路的光通量，再利用各種光電器件的光電效應將信號轉換成電信號的一種傳感器。2 光纖式傳感器是利用光導纖維的傳輸特性或材料的效應或傳光，再用各種光電器件的光電效應將光信號轉換成電信號。3 光柵式傳

40、感器是利用光柵形成的莫爾條紋和位移之間的關系，再利用各種光電器件的光電效應將光信號轉換成電信號的一種傳感器。它適用于大位移的測量，測量精度高。4 激光干涉?zhèn)鞲衅?、多普勒效應、衍射及光電電器件來測量，激光干涉?zhèn)鞲衅髦饕糜诖罅砍?、高精度的測量。5. 電容式傳感器有：電容式和容柵式。1 電容式傳感器是通過改變電容量來實現(xiàn)測量，電容式傳感器是將被測量非電量的變化轉換為電容變化的一種傳感器，具有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應等優(yōu)點。電容式傳感器主要用于小位移、尺寸偏差的測量，可實現(xiàn)不接觸測量，頻率響應高，靈敏度高。它輸出阻抗高，傳感器電容值小，易受外界環(huán)境因素干擾，使用

41、時需采取妥善屏蔽措施，在采取可靠屏蔽措施條件時可達很高測量精度。2 容柵式傳感器是通過改變電容量或加以激勵電壓來產生感應電勢的原理來測量，利用容柵可實現(xiàn)大位移測量。容柵結構簡單，尺寸小，精度可達幾微米?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃囊环N傳感器，是利用半導體材料的霍爾效應進行測量的一種磁敏式傳感器。它可以直接測量磁場和微位移量，應用于電池測量、壓力、加速度、位移等方面的測量領域。目前霍爾傳感器已發(fā)展到集成電路的階段，越來越受人們的重視，在測量領域，可用于測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等。在通訊領域，可用于放大器、振蕩器、相敏檢波、分頻已經微波功率測量等。在自動化技術領域，可用于無刷直流電機、

42、速度傳感、位移傳感、自動記數(shù)、接近開關、霍爾自整角機構形成的伺服系統(tǒng)和自動電力拖動系統(tǒng)等。根據(jù)不同的位移測量方法的特點，本課題是間接測量制動器摩擦片的磨損量，所以選用霍爾式位移傳感器作為位移測量元件。4.2 如何實現(xiàn)位移的測量利用霍爾位移傳感器與磁鐵間距離的間隔而引起的電壓的變化，把位移的變化量轉化成電壓的變化量，從而實現(xiàn)電壓和位移間的轉化關系。傳感器及磁鐵安裝布置如下：將傳感器固定，在將磁鐵在傳感器上移動。用精密儀器來進行位移的測量，分別測量出1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米、9毫米、10毫米的對應位移下的數(shù)據(jù)，為后面的線性化做準備。工作原理:霍爾傳感器的基本原

43、理是基于霍爾效應?；魻栃侵竿ㄟ^電流的導體在垂直于電流方向的磁場作用下，在導體的與電流及磁場均垂直的方向上產生電勢差。這個電勢差與電流大小及磁感應強度均成正比。固定導體流過的電流，利用被測電流或電壓（實際是電壓信號產生的電流）信號通過線圈產生磁場，測量出固定電流導體垂直方向上的電動勢，就可反應磁感應強度的大小，進而得出通過線圈的電流或線圈兩端的電壓。技術方案:1) 使磁軛的長度l，截面積S均隨位移量被測位移X的增加而增加；2) 使空氣隙長度f 隨被測位移x的增加而非線性地增加；3) 獲得與被測位移x成線性關系的霍爾元件上的磁感應強度B和霍爾式位移傳感器的輸出電壓U；4) 霍爾元件固定不動，永

44、磁體鐵芯作為與被測位移量同步變化的移動件沿z方向往復運動，測得被測位移量x。其優(yōu)點在于:1) 使磁軛的長度l和磁軛的截面積S均隨位移量被測位移的增加而增加，并使得長度l的磁軛的平均有效面積為一恒定值；2) 使空氣隙長度f隨被測位移x的增加而非線性的增加，并滿足以下關系：磁軛的彎曲程度隨x的增加按1/2f的規(guī)律增加；3) 獲得與被測位移x成線性關系的霍爾元件上的磁感應強度B和霍爾式位移傳感器的輸出電壓U，有利于推導出被測位移x與磁感應強度B和輸出電壓U的關系式；4) 霍爾元件固定不動，永磁體鐵芯作為與被測位移量x同步變化的移動件沿z方向往復運動，測得被測位移量x，使霍爾式傳感器能夠精確測量較大范

45、圍的直線位移，擴大了霍爾式位移傳感器的應用范圍。 4.3 位移線性化的分段依據(jù)由于霍爾位移傳感器的磁場強度不相同，所以輸出電壓U與被測位移x的關系非線性化，所以要使被測位移x與輸出電壓U成線性關系，我們可以將被測位移x分段，使其在較小的位移范圍之內線性化，在較小的位移范圍內，可以近似的看成在磁場強度相同而極性相反的兩個磁鐵氣隙中放置一個霍爾位移傳感器。當元件的控制電流I恒定不變時，霍爾電勢（輸出電壓）與磁感應強度B成正比。若磁場在一定范圍內沿z方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)。則當霍爾位移傳感器沿z方向移動x時的變化為： dVH/dx=KH*I*(dB/dx)=Kl 式中K為位移傳感器輸出靈敏

46、度。l 將上式積分后得:VH =K*x，即U=K*x 分段后得到圖像圖4.6位移的線性化分段圖4.6 位移的線性化分段 橫坐標x表示被測位移x，單位毫米（mm） 縱坐標y表示輸出電壓U，單位伏特（mV）5 檢測系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計包括單片機初始化、參數(shù)讀入程序、外圍器件初始化程序，A/D轉換程序、采集數(shù)據(jù)存儲程序、報警程序和上位機通信程序。其中單片機初始化程序只是實現(xiàn)時鐘的配置，所用A/D轉換口的配置和I/O口的配置。參數(shù)讀入程序是把位移傳感器線性化后的參數(shù)從SPI接口的FLASH中讀入到內部的單片機中為計算所測位移做準備。外圍器件初始化程序實現(xiàn)對SPI接口的FLASH進行初始化。 A/D

47、轉換程序實現(xiàn)位移量的采集。采集數(shù)據(jù)存儲程序是把當前采集的位移存儲到數(shù)據(jù)存儲器。報警程序實現(xiàn)當摩擦片磨損量超過所設定的值時進行報警。上位機通信程序實現(xiàn)規(guī)定的通信協(xié)議和和執(zhí)行上位機的指令。5.1 A/D轉換C8051F330的內部有一個10位SAR ADC和一個16通道差分輸入多路選擇器。該ADC工作在200ksps的最大采樣速率時可提供真正10位的線性度，INL和DNL為+1LSB。ADC系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的正輸入和負輸入。端口0-1作為ADC的輸入。另外，位移傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。A/D轉換可以有6種啟動方式：軟件命令、定時器0

48、溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出和外部轉換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號和周期性的定時器溢出信號觸發(fā)轉換。一次轉換完成可以產生中斷（如果被允許），或者用軟件查詢一個狀態(tài)位來判斷轉換結果。轉換結束后10位結果數(shù)據(jù)字被鎖存到ADC數(shù)據(jù)寄存器中。 窗口比較寄存器可被配置為當ADC數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的范圍之內或之外時向控制器申請中斷。ADC可以用后臺方式監(jiān)視一個關鍵電壓，當轉換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的范圍之內/外時才向控制器申請中斷。5.2 參數(shù)在SPI_EEPROM中存放的地址設置出廠設定值： 000到003當前磨損值： 050到053各段分段值：l 第1段分段值： 100到10

49、1l 第2段分段值： 102到103l 第3段分段值： 104到105l 第4段分段值： 106到107l 第5段分段值： 108到109l 第6段分段值： 110到111l 第7段分段值： 112到113l 第8段分段值： 114到115l 第9段分段值： 116到117l 第10段分段值： 118到119l 第11段分段值： 120到121各段線性化系數(shù)存放地址：l 第1段線性化系數(shù)存放地址： 200到207l 第2段線性化系數(shù)存放地址： 208到215l 第3段線性化系數(shù)存放地址： 216到223l 第4段線性化系數(shù)存放地址： 224到231l 第5段線性化系數(shù)存放地址： 232到239

50、l 第6段線性化系數(shù)存放地址： 240到247l 第7段線性化系數(shù)存放地址： 248到255l 第8段線性化系數(shù)存放地址： 256到263l 第9段線性化系數(shù)存放地址： 264到271l 第10段線性化系數(shù)存放地址： 272到279測試模式值存放地址： 300最大允許磨損值存放地址： 350到353松閘最小釋放量： 400到4035.3 通訊協(xié)議 5.3.1 什么是通訊協(xié)議要實現(xiàn)單片機與PDA之間的通信，光設計串口的程序是不夠的，還要保證有相同的通訊協(xié)議。本次設計所用的通訊協(xié)議是以CA為開頭的協(xié)議格式，以實現(xiàn)單片機與PDA之間的發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。 5.3.2 數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)在傳輸中的一個

51、數(shù)據(jù)單元，為確保各終端能夠讀懂數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，通信雙方必須使用同一種通訊協(xié)議，首先要定義一種相同的數(shù)據(jù)幀格式。表5-1為自定義CA協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式8幀頭標識長度域命令數(shù)據(jù)位校驗碼1B2B1B2B1B數(shù)據(jù)幀格式說明6:a. 以“0xca”作為一幀的幀頭標識，制定中未使用幀尾標識；b. 每一個幀的長度都將通過跟隨在幀頭標識位后的幀長域來決定；c. 操作碼為命令部分；d. 回復幀中要傳送的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)位，命令請求幀中沒有數(shù)據(jù)位。幀結構定義l 幀頭：即為定義的幀的起始標識“0xca”，1字節(jié)長度；l 長度域：占2個字節(jié)長度。低字節(jié)在前；l 命令：占1個字節(jié)；l 數(shù)據(jù)位：所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，共2個字節(jié)；l 校

52、驗碼：確定是否是所要接受和發(fā)送的數(shù)據(jù)，過濾掉干擾信息，占1個字節(jié)。 5.3.3命令及返回格式具體命令的設置(注：長度和數(shù)據(jù)為低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。)格式如表5-2表5-2 命令設置格式命令頭長度命令數(shù)據(jù)位校驗碼0XCA0XXX0XXX0XXX0XXX 0XXXXX0A:讀采樣 0B:讀測量 0C:校驗碼 0D:當前磨損當數(shù)據(jù)長度超過255個字節(jié)時，只需取低位字節(jié)。校驗值=數(shù)據(jù)長度字節(jié)+數(shù)據(jù)字節(jié)（當數(shù)據(jù)長度超過255個字節(jié)時，只需取低位字節(jié)。)例如命令：CA 05 00 0E 40 63 D7 0A 9797就是05+00+0E+40+63+D7+0A=0197的低位字節(jié)。(1)讀當前采樣命令（有返回共2個字節(jié)）7表5-3 讀當前采樣命令命令頭長度命令數(shù)據(jù)位2個字節(jié)校驗碼0XCA0X050X000X0A0XXX 0XXXXX命令：0XCA 0X05 0X00 0X0A 0XXX 0XXX 0XXX描述采樣命令的字段:表5-4 描述采樣命令字段字節(jié)描述值命令頭1固定值0XCA長度2命令字節(jié)長度低位: 0X01高位: 0X00命令1讀采樣0X0A數(shù)據(jù)位2具體值/校驗碼1長度、命令和數(shù)據(jù)位數(shù)值之和/返回數(shù)據(jù)（這條命令是下位機回復上位機的數(shù)據(jù)）表5-5采樣