數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)目的和要求分析設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)要采集10路模擬量(10位精度)，20路開關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1秒，通過串行通訊方式RS485向一臺工控機(jī)傳送。要求：選擇合適的芯片；設(shè)計(jì)原理電路（包含譯碼電路）；編制數(shù)據(jù)采集的程序段；編制數(shù)據(jù)通信程序段；本次任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)要采集10路模擬量(10位精度)，20路開關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1秒，通過串行通訊方式RS485向一臺工控機(jī)傳送。由以上要求可知該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為四個(gè)部分：模擬量采集電路、開光量采集電路、單片機(jī)與PC機(jī)的串口通訊電路及程序設(shè)計(jì)部分。下面分別做詳細(xì)的介紹。2模擬量采集電路設(shè)計(jì)摸擬量的采集要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片，而且要求精度為10位，這里選擇TLC1543A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)TLC1543有11路模擬通道輸入滿足采集10路模擬量的要求。TLC1543是一種低功耗、低電壓的10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大非線性誤差小于1LSB，TLC1543A/D轉(zhuǎn)換芯片有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端片選CS、輸入/輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK）地址輸入（ADDRESS）和數(shù)據(jù)輸出DATAOUT，這樣就和主處理器的串行口有一個(gè)直接的4線接口。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，這些器件有一個(gè)片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測試（self-test）電壓中的一個(gè)。采樣-保持是自動的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。TLC1543詳細(xì)資料如下：TLC1543引腳如下圖1所示：圖1TLC1543引腳圖（2）TLC1543工作時(shí)序圖如下圖所示：圖2TLC1543工作時(shí)序圖（3）TLC1543A/D芯片的數(shù)據(jù)讀取程序A/D芯片的數(shù)據(jù)讀取程序是根據(jù)TLC1543的工作時(shí)序來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。TLC1543工作時(shí)序如圖2所示，其工作過程分為兩個(gè)周期：訪問周期和采樣周期。工作狀態(tài)由CS使能或禁止，工作時(shí)CS必須置低電平。CS為高電平時(shí)，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同時(shí)DATAOUT為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時(shí)，TLC1543開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，I/OCLOCK、ADDRESS使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。隨后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14個(gè)模擬通道選擇器從11個(gè)外部模擬輸入和3個(gè)內(nèi)部自測電壓中選通1路送到采樣保持電路。同時(shí)，I/OCLOCK端輸入時(shí)鐘時(shí)序，CPU從DATAOUT端接收前一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。I/OCLOCK從CPU接受10個(gè)時(shí)鐘長度的時(shí)鐘序列。前4個(gè)時(shí)鐘用4位地址從ADDRESS端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后6個(gè)時(shí)鐘對模擬輸入的采樣提供控制時(shí)序。模擬輸入的采樣起始于第4個(gè)I/OCLOCK的下降沿，而采樣一直持續(xù)6個(gè)I/OCLOCK周期，并一直保持到第10個(gè)I/OCLOCK的下降沿。轉(zhuǎn)換過程中，CS的下降沿使DATAOUT引腳脫離高阻狀態(tài)并起動一次I/OCLOCK的工作過程。CS的上升沿終止這個(gè)過程并在規(guī)定的延遲時(shí)間內(nèi)使DATAOUT引腳返回到高阻狀態(tài)，經(jīng)過兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端。TLC1543數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如圖3所示。該程序通過CPU通道地址的寫操作，發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖，啟動以后CPU查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦結(jié)束CPU通過對通道地址的讀操作讀取數(shù)值，值得注意的是在TLC1543啟動后，從A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序可知EOC約在啟動脈沖之后300ns才變?yōu)楦唠娖?。開始開始設(shè)置通道地址把通道地址輸入1543發(fā)AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖A/D轉(zhuǎn)換取AD值返回AD值圖3TLC1543數(shù)據(jù)采集子程序流程圖（4）模擬量通過TLC1543AD轉(zhuǎn)換芯片與Atmega16單片機(jī)的接口電路TLC1543的三個(gè)控制輸入端/CS、I/OCLK、ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI接口。TLC1543芯片的三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端與單片機(jī)的I/O口直接連接。將放大后的模擬電壓通過TLC1543與單片機(jī)的接口電路輸出數(shù)字信號。其接口電路如圖4所示。圖4TLC1543AD轉(zhuǎn)換芯片與Atmega16單片機(jī)的接口電路圖3開關(guān)量采集電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)采集20路開關(guān)量，由于單片機(jī)I/O接口有限，故采用兩片74LS165芯片16路并行輸入轉(zhuǎn)換成串行輸入，剩余的4路開關(guān)量直接由單片機(jī)I/O進(jìn)行采樣。74LS165芯片介紹如下：（1）74LS165引腳如下圖5所示：圖574LS165引腳圖（2）74LS165引腳功能表如表1所示：表174LS165引腳功能表74LS165芯片是8位并行輸入串行輸出移位寄存器,其中A~H就是8位并行數(shù)據(jù)的輸入端。Qh和/Qh是串行數(shù)據(jù)的輸出端，SER是串行數(shù)據(jù)的輸入端，CLK是時(shí)鐘端，SH/LD是移位和鎖存并行數(shù)據(jù)端。（3）74LS165時(shí)序功能圖如圖6所示：圖674LS165時(shí)序功能圖（4）開關(guān)量通過74LS165芯片與Atmega16單片機(jī)的接口電路開關(guān)量輸入信號如下圖所示：圖7開關(guān)量輸入信號圖當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，經(jīng)過非門作用開關(guān)量輸入高電平“1”；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，經(jīng)過非門作用開關(guān)量輸入低電平“0”；20路開關(guān)量采集電路圖如下所示，16路開關(guān)量通過74LS165芯片將并行輸入轉(zhuǎn)換成串行輸入（PC0和PC1進(jìn)行16路開關(guān)量采樣），剩余的4路開關(guān)量直接由單片機(jī)I/O（PB0~PB3）進(jìn)行采樣。圖8開關(guān)量接口電路4單片機(jī)與PC機(jī)的串口通訊電路設(shè)計(jì)MAX487接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為120uA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。圖9MAX487引腳圖從圖9中可以看出,MAX487芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的PD0/RXD和PD1/TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因?yàn)镸AX487工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)只需要一個(gè)信號控制MAX487的接收和發(fā)送即可。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊時(shí)，必須使用電平轉(zhuǎn)換接口芯片，因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的是TTL電平，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能和PC機(jī)的一致。本文中采用的是RS－485協(xié)議，所以單片機(jī)需要采用RS－485接口；而在PC機(jī)側(cè)使用的是RS－232與RS－485的電平轉(zhuǎn)換接口。單片機(jī)與PC機(jī)的串口通訊電路如下圖所示： 圖10單片機(jī)與PC機(jī)的串口通訊電路RS485網(wǎng)絡(luò)和普通的RS232網(wǎng)絡(luò)從程序上來講，維一的區(qū)別是就是有方向控制。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)芯片需要工作在輸出方式，這樣數(shù)據(jù)才能被有效發(fā)出。不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一定要把RS485芯片設(shè)置為輸入狀態(tài)，否則會影響網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備。硬件連接如上圖，程序如下：/*串口初始化函數(shù)*/voiduart_init(void){UCSRA=0x02;/*倍速*/UCSRB=0x18;/*允許接收和發(fā)送*/UCSRC=0x06;/*8位數(shù)據(jù)*/UBRRH=0x00;UBRRL=12;/*9600*/DDRD=DDRA|BIT(2);/*設(shè)置方向?yàn)檩敵?/PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*設(shè)置RS485為輸入狀態(tài)*/}/*數(shù)據(jù)發(fā)送，查詢方式*/voiduart_transmit(unsignedchari){PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*設(shè)置RS485為輸入狀態(tài)*/UDR=i;/*發(fā)送數(shù)據(jù)*/while(!(UCSRA&(1<<TXC)));/*等待發(fā)送緩沖器為空*/UCSRA|=(1<<TXC);/*清除發(fā)送標(biāo)志*/PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*設(shè)置RS485為輸入狀態(tài)*/}/*數(shù)據(jù)接收，查詢方式*/unsignedcharuart_receive(void){while(!(UCSRA&(1<<RXC)));/*等待接收數(shù)據(jù)*/returnUDR;/*獲取并返回?cái)?shù)據(jù)*/}5程序設(shè)計(jì)及說明（1）模擬量采集程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)要采集10路模擬量(10位精度)，單片機(jī)與TLC1543接口如下：引腳PA0連接TLC1543的SDO口接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳入，引腳PA1連接TLC1543的ADDR口用來選擇通道數(shù)，引腳PA2連接TLC1543的_CS用來控制片選，引腳PA3連接TLC1543的CLK以控制時(shí)序。如下圖所示：圖11TLC1543與Atmega16引腳接口圖A/D芯片的數(shù)據(jù)讀取程序是根據(jù)TLC1543的工作時(shí)序來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。TLC1543工作時(shí)序如圖2所示，其工作過程分為兩個(gè)周期：訪問周期和采樣周期。讀CLK有10個(gè)周期，前4個(gè)周期進(jìn)行采樣通道號的選擇，后6個(gè)周期進(jìn)行模擬量的采集，采集子程序是通過CPU通道地址的寫操作，發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖，啟動以后單片機(jī)查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦結(jié)束CPU通過對通道地址的讀操作讀取數(shù)值。10路模擬量采集程序流程圖如下：過程入口過程入口通道和計(jì)數(shù)器初值送通道號，啟動A/D讀狀態(tài)EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束否讀結(jié)果，存入寄存器修改通道號和計(jì)數(shù)器10通道完否NYN返回Y圖12模擬量采集程序流程圖（2）開關(guān)量采集程序設(shè)計(jì)20路開關(guān)量采集電路如圖8所示，16路開關(guān)量通過74LS165芯片將并行輸入轉(zhuǎn)換成串行輸入（PC0和PC1進(jìn)行16路開關(guān)量采樣），剩余的4路開關(guān)量直接由單片機(jī)I/O（PB0~PB3）進(jìn)行采樣。20路開關(guān)量采集程序流程圖如下：開始開始初始化I/O接口讀取PC0、PC1及PB0~PB3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)串行輸出結(jié)束圖13開關(guān)量采集程序流程圖（3）上位機(jī)程序設(shè)計(jì)本文中采用的是RS－485協(xié)議，所以單片機(jī)需要采用RS－485接口；而在PC機(jī)側(cè)使用的是RS－232與RS－485的電平轉(zhuǎn)換接口。此次可以采用單片機(jī)內(nèi)部的USART,因此實(shí)現(xiàn)串口通訊十分容易，只需要設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋恚谕ㄓ嵅捎弥袛鄼C(jī)制。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，由于是下位機(jī)是被動傳輸，和下位機(jī)傳輸是遵循一定的通訊協(xié)議，協(xié)議已經(jīng)在下位機(jī)中進(jìn)行了定義。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送一個(gè)控制字0x78給下位機(jī)時(shí)，下位機(jī)將會返回所有的數(shù)據(jù)采集量。上位機(jī)流程圖如下：ccom端初始化通過com口發(fā)送標(biāo)志讀取字0x78單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，顯示并處理結(jié)束圖14上位機(jī)流程圖(3)上位機(jī)主程序：#include<dos.h>#include<conio.h>#include<stdio.h>voidInit_COM(intComPortAddr,unsignedcharIntVectNum，imBaud，unsignedcharData，unsignedcharStop，unsignedcharParity)//串口初始化intReceiveChar(intport)//接收字符main(){inti;chara[500];voidInit_COM(03F8H,0X0b,9600,8,1,0);//定義串口端口地址為COM1口，中斷處理號為0X0b,波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，奇偶校驗(yàn)位為0for(i=0;i<500;i++)a[i]=ReceiveChar();//每隔一秒接收一個(gè)字節(jié)}6設(shè)計(jì)小結(jié)與體會這次計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，讓我們有機(jī)會將課堂上所學(xué)的理論知識運(yùn)用到實(shí)際中。并通過對知識的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識。同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)也為我們以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。指導(dǎo)我們在以后的學(xué)習(xí)，多動腦的同時(shí)，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并解決問題。這次的課程設(shè)計(jì)，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時(shí)會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過這次計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，真正做到了自己查閱資料、完成一個(gè)基本匯編程序的設(shè)計(jì)。在此次的設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了RS-485通信原理。當(dāng)然，在這個(gè)過程中我也遇到了困難，通過查閱資料，相互討論，我準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了，這也是我最大的收獲，使自己的實(shí)踐能力有了進(jìn)一步的提高，讓我對以后的工作學(xué)習(xí)有了更大的信心?；仡櫰鸫舜斡?jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計(jì)，把以前所學(xué)過的知識重新溫故，鞏固了所學(xué)的知識。7參考文獻(xiàn)[1]秦龍.MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例.中國電力出版社，2005[2]于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).清華大學(xué)出版社，1999[3]姚四改Protel99SE電子線路設(shè)計(jì)教程.上海交通大學(xué)出版社，2003[4]朱定華編著.《微機(jī)原理、匯編與接口技術(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》清華大學(xué)出版社，2004[5]侯玉寶.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真.電子工業(yè)出版社，2008附錄程序代碼(1)10路模擬量采集程序如下：//TLC1543端口定義#defineTLC1543_SDOPA0//數(shù)據(jù)輸入#defineTLC1543_ADDRPA1//數(shù)據(jù)輸出#defineTLC1543_/CSPA2//使能端#defineTLC1543_CLKPA3//時(shí)鐘端//read1543()返回10位AD芯片TLC1543的port通道采樣值。uintread1543(ucharport)//從TLC1543讀取采樣值,形參port是采樣的通道號{uintdataad;uintdatai;uchardataal=0,ah=0;CLK=0;for(i=0;i<4;i++)//把通道號打入1543{ADDR=(bit)(port&0x80);CLK=1;CLK=0;port<<=1;}for(i=0;i<6;i++)//填充6個(gè)CLK{CLK=1;CLK=0;}/CS=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_CS=0;//等待AD轉(zhuǎn)換_nop_();_nop_();_nop_();for(i=0;i<2;i++)//取D9,D8{D_OUT=1;CLK=1;Ah<<=1;if(D_OUT)ah|=0x01;CLK=0;}for(i=0;i<8;i++)//取D7--D0{D_OUT=1;CLK=1;al<<=1;if(D_OUT)al|=0x01;CLK=0;}/CS=1;ad=(uint)ah;ad<<=8;ad|=(uint)al;//得到AD值return(ad);}(2)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集程序#defineSINPUT_PORTPORTA#defineSINPUT_DDRDDRA#defineSINPUT_PINPINA#defineDIG_PLPD6//PL腳#defineDIG_CLKPD5//時(shí)鐘腳#defineDIG_CE1PB1//片選#defineDIG_OUT1PC0//串行輸出#defineDIG_OUT2PC1//串行輸出#defineS_PL()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_PL)//置1#defineC_PL()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_PL)//置0#defineS_CLK()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CLK)//置1#defineC_CLK()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CLK)//置0#defineS_CE1()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE1)//置1#defineC_CE1()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE1)//置0#defineS_CE2()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE2)//置1#defineC_CE2()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE2)//置0#defineDB_INPUT1(SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT1))//數(shù)據(jù)輸入電平#defineDB_INPUT2(SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT2))voidInitDigCap(void)//初始化開關(guān)量采集{CONTROL_DDR|=BIT(DIG_PL)+BIT(DIG_CLK)+BIT(DIG_CE1)+BIT(DIG_CE2);//置為輸出 SINPUT_DDR&=~(BIT(DIG_OUT1)+BIT(DIG_OUT2)+);//置為輸入 S_PL(); S_CE1(); S_CE2();}voidLockData(void)//鎖定數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)全部鎖入到寄存器中{ S_PL();//高電平 Delay_Bus(1);//延時(shí)一個(gè)總線周期 C_PL();//低電平 Delay_Bus(1);//延時(shí)一個(gè)總線周期 S_PL();//高電平完成鎖存}voidGetAllDigCap(void)//獲取所有通道的開關(guān)量{ unsignedchari,temp=0; LockData();//鎖定所有數(shù)據(jù) C_CLK(); Delay_Bus(1); S_CLK(); //讀取第一片里的數(shù)據(jù) C_CE1();//使能片1 for(i=0;i<8;i++) { C_CLK(); Delay_Bus(1); S_CLK();//上升沿脈沖 Delay_Bus(1); if(DB_INPU