【多接口數據采集系統(tǒng)的設計及仿真實現（論文）5500字】

緒論1.1研究背景今天，隨著科技的不斷發(fā)展，互聯網技術以及集成電路技術也得到了較大程度的進步，當前在互聯網信息技術領域以及普遍應用的數據采集技術，而且在該技術的科學研究，農業(yè)生產以及工業(yè)制造等各個領域都發(fā)揮了至關重要的作用。隨著互聯網云計算平臺的不斷發(fā)展，不同領域思維方式開始出現創(chuàng)新性發(fā)展，同時從軟硬件等方面針對系統(tǒng)的開發(fā)也獲得了較大的進步?，F代科學和技術,才會有各個領域都開始的數據收集和交換信息,在研究和應用程序的過程中逐漸增加的數據收集的環(huán)節(jié),要求收藏數據信息更高速的處理和更多的事情,外圍擴展的電路的功能。傳統(tǒng)的數據收集的工具相對簡單的活動,收集的數量、速度并不快,依賴于計算機軟件分析不同的區(qū)域在數據處理領域中,連通性和可開發(fā)性都不強。一個完整的數據收集系統(tǒng)，不僅可以單獨收集數據，而且可以在高速公路上同步處理數據，還可以相互通信，并將其擴展到其他外圍設備，形成一個完整的數據收集系統(tǒng)，甚至可以將數據下載到網絡平臺上，共享云信息。1.2研究目的和意義廣泛的計算機應用現在在許多領域都有非常重要的應用。它是計算機和物理之外世界之間的橋梁。利用系列或紅外線通信，實施應用于移動數據收集者的軟件更新，并通過建立上泰瑟槍和移動數據收集器的通信協(xié)議，實現這兩種之間的通信相互干擾。工業(yè)、工程、工廠等的應用，特別是在高數據收集環(huán)境中。例如，在許多工業(yè)生產和科學研究技術領域，數據經常使用計算機或無線電控制。有很多地方可以收集所有的數據，比如液體、溫度、壓力、頻率等等。衛(wèi)星數據成像系統(tǒng)使用遙測、遙控器和其他技術，對宇宙飛船最遠的位置進行監(jiān)控，并通過衛(wèi)星傳送到數據中心進行自動成像。計算機技術為電子技術規(guī)模比較小的計算機以及數字通信技術等得到了很大程度的發(fā)展，以此為基礎推動了高性能數據采集系統(tǒng)的進步，同時也對該技術的開發(fā)產生了非常大的影響。1.3國內外發(fā)展現狀國家和國際兩級的數據收集技術被廣泛用于軍事、航空航天設備、工業(yè)、運輸、醫(yī)藥等領域。傳統(tǒng)的數據收集設備和系統(tǒng)的基礎是具有不同功能的傳感器和轉換器/d)在收集電路的前端，然后通過電路放大、過濾等方式存儲器數據收集系統(tǒng)，然后通過計算機控制器處理數據。隨著半導體行業(yè)和集成電路設備行業(yè)的發(fā)展，出現了性能性能、低功率、高可靠性數據收集系統(tǒng)和數據收集卡。數據收集技術已成為一種專門技術，通過與新技術相結合而得到發(fā)展和應用。在這一階段上，數據采集系統(tǒng)所采用的結構比組裝模塊先進，并靈活地修改或擴大該系統(tǒng)，同時考慮到設計者對應用的需要，對模塊進行簡單的改動、升級或配置，并與該系統(tǒng)的不同方案編制模式結合起來。現在，數據收集系統(tǒng)已經開始加速、建模、使用遠程通信和進入，甚至是當領域范圍更廣闊時，也能夠通過互聯網進行互連接，例如PXI系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)等。因為其他國家在數據采集系統(tǒng)技術的發(fā)展對我國產生了較大的影響，因此在我國發(fā)展該技術的過程和其他國家是近乎相同的，但是因為相較于世界上其他的發(fā)達國家，在原材料以及技術方面，我國仍然與之差距較大。當前我國收集系統(tǒng)仍然達不到全球水平。1.4本次設計的概述及目的在此次設計中，使用單片機為微處理器作為控制核心，選擇了兩種不同規(guī)格傳感器，同時采集三路數據，溫度數值實時顯示在液晶顯示器上。為了驗證系統(tǒng)的可行性，測量溫度是最簡單、最直接的策略，在系統(tǒng)整體設計完成后，就可以通過傳感器實時測量環(huán)境溫度，通過比較獲得的溫度值，是系統(tǒng)的最佳驗證。由于之前使用的數據采集系統(tǒng)通常具有較低的采樣速度，而且在運行過程中穩(wěn)定性不夠，操作過程比較復雜，投入的成本較高等存在一系列缺陷，因此在本設計中主要針對這些缺陷進行解決，本課題設計的數據采集系統(tǒng)屬于新型系統(tǒng)的一種。2多接口數據采集系統(tǒng)的總體設計2.1多接口數據采集系統(tǒng)設計方案在能夠達到對多種接口傳感器進行數據采集的系統(tǒng)中，傳感器與主機之間有多種通信方式，通過自己在研究課題和查閱資料后，最終選擇了采用了兩種不同通信規(guī)格的傳感器有1-wire總線接口的DS18b20芯片和IIC總線接口的LM35芯片。其主控制系統(tǒng)通過著名的微控制器進行控制采集，將得到的信息通過液晶屏進行顯示，將這兩大模塊組合相互使用起來，就可以通過通信規(guī)格不同的傳感器進行數據采集。該模塊主要功能實現原理如表2.1所示。表2.1模塊的主要功能及實現方法當更換傳感器時，系統(tǒng)不需要為主計算機編制新的控制系統(tǒng)程序。它可以與新連接的傳感器通信，完成傳感器的基本功能。這樣就允許了新連接的傳感器和主機之間的通信。2.2傳感器的應用模塊在電子信息時代，信息收集是一個重要的話題，為了彌補信息收集的不足，傳感器的電子元件得到了發(fā)展。傳感器是一種檢測設備，可以將測量的信息轉換成所需的輸出形式。為了更便捷地使用傳感器，研究人員在傳感器內部增加了存儲器和定時器等多個功能模塊。傳感器雖然有很多種，但其接口的總線規(guī)格限制了傳感器的通信方式。如表2.2所示的通信總線規(guī)格。表2.2通信總線規(guī)格如表2.2的通信規(guī)格，RS-232在計算機中的使用是多接口的，因此，為了更方便地執(zhí)行設計功能，將選擇另外兩種總線規(guī)格的傳感器與主機進行通信，并設計傳感器。隨著智能時代的到來，傳感器的發(fā)展已經不再是簡單的信息收集，隨著智能設備的進化，傳感器被賦予了更多的功能，這為傳感器的發(fā)展打開了新的突破口。該智能傳感器是將微處理器以及傳感器兩者相互結合，同時該傳感器能夠實現的功能比較多，例如處理信息數據，實現自我診斷，完成邏輯判斷等。傳感器的發(fā)展不簡單是傳統(tǒng)產業(yè)的升級轉型，更是建立新的產業(yè)模式、改變世界面貌的可能。2.3多接口數據采集系統(tǒng)設計框圖本論文完成的數據采集系統(tǒng)的核心控制器為，其型號為STC89C52，同時結合應用型號為DS18b20傳感器以及型號為LM35的溫度傳感器，LM35傳感器用PCF8591采集此端口數據，然后用IIC通信方式與單片機通信，DS18b20傳感器則用1-wire數字總線方式進行通信，并將轉換后的數據通過USB接口傳輸到上位機，再用LCD1602液晶顯示器實時顯示結果的數據采集系統(tǒng)。圖2.1是此系統(tǒng)的設計的系統(tǒng)框圖。IIC1-wireIIC1-wire圖2.1系統(tǒng)設計框圖2.4本章小結本章通過介紹該系統(tǒng)設計要用到的各個部分主要器件包括總線接口、溫度傳感器、數模轉換、單片機和顯示器以及應用的相關技術和實現多接口數據采集系統(tǒng)的原理設計框圖。

3系統(tǒng)的硬件設計3.1STC89C52單片機系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52型單片機為控制器，其內部有8位中央處理器（CPU）、Flash閃存存儲器的容量為4k、內部數據存儲器的容量為128Byte、輸入輸出接口的數量為32個，只有一個串行通信接口，為全雙工通信方式，定時器計數器都為16位，共有2個，兩級向量中斷結構共有5個，片內振蕩器和時鐘電路REF_Ref18043\r\h[1]。為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活高效的解決方案。其引腳接口圖3.1所示。圖3.1STC85C52引腳圖3.2PCF8591PCF8591存在串行的IIC總線接口共有一個，模擬量輸出接口共有一個，模擬量輸入接口共有四個。該芯片的外部引腳中A0，A1和A2屬于地址引腳，能夠進行硬件地址的編程，對于同一個IIC總線，能夠允許8個此器件共同連接在上面，而且不需要借助于其他的硬件。在PCF8591器件上所有的信號的傳輸都是借助于雙線雙向IIC總線，而且傳輸的方式為串行REF_Ref18258\r\h[2]。其引腳圖如3.2所示。圖3.2PCF8591引腳圖3.3LCD液晶顯示屏該型號的液晶顯示屏屬于字符型，能夠對字符，字母以及數字等進行顯示，LCD液晶顯示器選擇軟封裝的方式，引腳上可以劃分成控制引腳，電源引腳以及通信數據引腳三個部分，全都為標準的SIP16引腳，能夠和單片機直接進行連接，更加方便REF_Ref18376\r\h[3]。如圖3.3所示，為該顯示屏的引腳圖。圖3.3LCD引腳圖3.4傳感器模塊相較于傳感器的選擇，本著節(jié)約成本和容易實現的想法，在眾多的傳感器中選取兩個典型的傳感器，并對其進行驗證和實現，選擇出的溫度傳感器的型號分別為LM35和DS18B20溫度傳感器，本設計將選用功能相同，其通信接口規(guī)格不同的傳感器進行數據采集。3.4.11-wire接口傳感器溫度傳感器DS18B20在封裝時可以使用不同種類的形式，該傳感器輸出的型號為數字型，信號自身體積更小，而且在抵抗外部影響的方面具有更強的能力，除此之外采集溫度的分辨率更高，在硬件方面投入的成本較少REF_Ref18477\r\h[4]。當1-wire總線接口與主機連接時，主機與1線總線可以進行雙向通信。通過了解芯片的命令部分，可以更好地使用芯片，如表3.4.1為該傳感器的部分指令。表3.1傳感器指令寄存器的溫度值由命令0x33讀取，然而此時讀取的并不是真正的溫度值，若經過讀取獲取的數據為負值，那么對該數據的補數之后再與0.625進行相乘，就是溫度的實際值，如果為正，則實際溫度為該數據乘以0.625。圖3.4.1是1-wire通信規(guī)格的DS18B20的硬件連接圖圖3.4.11-wire規(guī)格的硬件連接圖3.4.2IIC接口傳感器LM35傳感器的線性工作期間比較寬，同時具有更高的工作精度，溫度和其輸出電壓之間具有正比例關系，當溫度升高1℃，相對應的輸出電壓就會提高10ms.LM35傳感器不需要從外部進行校準，能夠提供的常用室溫精度為±1/4℃REF_Ref18627\r\h[5]。因為傳感LM35沒有IIC的通信接口，所以要通過PCF8591進行數模轉換，再由IIC方式進行通信。LM35溫度傳感器的計算公式：PCF8591的通信格式如表3.4.2所示：表3.2PCF8591通信格式IIC方式的通信格式分為兩種，一種是主機寫數據到從機，另一種是主機從從機中讀取數據，分別如表3.4.3和表3.4.4所示表3.3IIC寫數據到從機的通信格式表3.4IIC從從機中讀取數據的通信格式3.5顯示模塊設計溫濕度傳感器采集的相關數據之后傳輸到單片機中，單片機接收并經過處理后，將該數據借助于液晶顯示屏完成顯示。在設計中應用比較普遍的液晶屏幕就是LCD1602，該液晶顯示屏選擇使用的是點陣型液晶，分辨率較高而且驅動上更加便利，能夠顯示不同類型的內容REF_Ref18702\r\h[6]。如圖3.5所示是該模塊的部分顯示電路。圖3.5LCD1602部分顯示電路4系統(tǒng)軟件設計及仿真實現4.1主程序設計整個控制程序中，當連接到主機感應到的傳感器時，主機可以簡單的識別端口的接收命令，用相應傳感器的功能處理信息，然后通過LCD1602顯示出來。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)各模塊流程4.2.11-wire接口傳感器軟件設計在軟件部分首先要初始化芯片DS18b20并對總線接口進行處理，讀寫功能如圖4.2.1為該系統(tǒng)的流程圖。圖4.2.11-wire接口溫度傳感器接入及處理當主機發(fā)現DS18B20端口接入時，啟動溫度檢測程序。進行DS18B20芯片的初始化。初始化成功時返回1，失敗時返回0。主機跳過ROM，讀取溫度，處理，在IO端口顯示。4.2.2IIC接口傳感器軟件設計當上位機識別出DS18B20不存在時，LM35傳感器跳過調用DS18B20芯片的處理功能，處理并顯示LM35溫度傳感器。經過PCF8591模數轉換后，再由IIC方式進行通信。如圖4.2.2為LM35傳感器的軟件流程圖。圖4.2.2IIC接口傳感器接入與處理主機在檢測到LM35溫度傳感器后，接收由器件發(fā)送的地址信號，將由器件向主機發(fā)送溫度操作命令，通過PCF8591進行數模轉換，由模擬信號轉換為數字信號，讀取溫度并進行相應的處理，送至顯示端口。4.3系統(tǒng)仿真4.4本章小結在本章中主要針對數據采集系統(tǒng)軟件設計部分進行講解，首先是軟件設計的流程，之后再對系統(tǒng)仿真進行介紹，通過流程圖和仿真實現可以更好的了解該系統(tǒng)的工作過程。5結論5.1總結本設計介紹了用于通信通信規(guī)范的傳感器控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。仿真軟件部分主要由KeiluVision5和Proteus8專業(yè)軟件平臺C組成。這個項目的基本檢查已經完成。項目一開始是在兩種不同通信規(guī)范的外部傳感器非同步/獨立連接的情況下顯示通信控制，并顯示所收集的數據。通過模擬試驗，開發(fā)系統(tǒng)中的1-wire和IIC總線接口能夠通過單獨的傳感器互連來實現上述功能。在此基礎上，經過實驗驗證的研究試圖獲得對這三種具有不同通信規(guī)范的傳感器的自動識別和自動控制。實驗和研究結果表明,如果使用51或52單片機這樣的簡單控制器來實現對多種通信規(guī)格的外接傳感器進行自動檢測識別，繼而實現多傳感器的自適應控制尚有困難，特別是單純通過軟件編程是無法實現的。5.2展望本次設計研究表明，僅靠51或52微控制器和軟件程序是不可能實現只支持多種傳感器自動檢測的控制系統(tǒng)的。為了實現系統(tǒng)的最終功能。在微機上連接周邊硬件電路，通過軟件進行編程，同時還可以選擇更高級的arm系列主控制器，實現系統(tǒng)的自校驗行和適應性。

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