通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本文設(shè)計的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀能夠?qū)Ω鞣N現(xiàn)場設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號進(jìn)行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號；開關(guān)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(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，系統(tǒng)擴(kuò)展了鍵盤輸入，液晶顯示，實(shí)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(shè)計

　　在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電源的設(shè)計是非常關(guān)鍵的。本儀表設(shè)計采用電網(wǎng)和充電電池雙電源供電。電源設(shè)計如圖2所示。

　　當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，220V交流電經(jīng)過24V穩(wěn)壓電源，電解電容器C1濾波后的電壓經(jīng)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(jī)W77E58等芯片所需的電源；另一路通過電阻R1對鎳鎘電池9V進(jìn)行充電，充電電流選擇約40mA。如果電網(wǎng)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(wǎng)短時停電時，單片機(jī)后備電源的功能。

　　二極管D1起隔離作用，使得當(dāng)電網(wǎng)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(dāng)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(jī)將停電。

　　1.2 實(shí)時時鐘芯片DS12887

　　為了能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)時間以及實(shí)現(xiàn)按時間日期保存采集到的數(shù)據(jù)的功能，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片并行實(shí)時時鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導(dǎo)體公司推出的實(shí)時時鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集成于芯片內(nèi)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(diǎn)，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(jī)交互，采用專用鍵盤接口芯片8279，配合74LS138譯碼器，系統(tǒng)擴(kuò)展了3×8=24鍵的鍵盤。鍵盤上設(shè)置有0～9數(shù)字鍵，以便輸入各種信息。同時還設(shè)有各種控制按鍵。通過鍵盤能夠控制對各種類型數(shù)據(jù)進(jìn)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

　　LCD投影機(jī)按內(nèi)部液晶板的片數(shù)可分為單片式和三片式兩種，現(xiàn)代液晶投影機(jī)大都采用3片式LCD板。三片式LCD投影機(jī)是用紅、綠、藍(lán)三塊液晶板分別作為紅、綠、藍(lán)三色光的控制層。光源發(fā)射出來的白色光經(jīng)過鏡頭組后會聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來，投射到紅色液晶板上，液晶板“記錄”下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅色光信息。綠色光被投射到綠色液晶板上，形成圖像中的綠色光信息，同樣藍(lán)色光經(jīng)藍(lán)色液晶板后生成圖像中的藍(lán)色光信息，三種顏色的光在棱鏡中會聚，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅全彩色圖像。三片式LCD投影機(jī)比單片式LCD投影機(jī)具有更高的圖像質(zhì)量和更高的亮度。LCD投影機(jī)體積較小、重量較輕，制造工藝較簡單，亮度和對比度較高，分辨率適中，現(xiàn)在LCD投影機(jī)占有的市場份額約占總體市場份額的70%以上，是目前市場上占有率最高、應(yīng)用最廣泛的投影機(jī)。

　　為便于實(shí)時顯示采集的數(shù)據(jù)及人機(jī)交互，系統(tǒng)擴(kuò)展了圖文液晶顯示模塊MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精電公司生產(chǎn)的內(nèi)置SED1520控制驅(qū)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(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，A0、A1為單片機(jī)的P0口經(jīng)74LS373地址鎖存器后產(chǎn)生的低兩位地址線，系統(tǒng)用74LS138譯碼器產(chǎn)生的Y5、Y6作為MGLS12032兩個控制驅(qū)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(zhuǎn)換器MAX197對傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號進(jìn)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(zhuǎn)換器，采用逐次逼近工作方式，片內(nèi)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(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。并且MAX197內(nèi)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(jī)連接，僅需外接幾個電容即可。

　　MAX197與單片機(jī)的典型接口電路如圖4所示。設(shè)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(jīng)過8選 1模擬開關(guān)CD4051輪流選通，再經(jīng)靈敏電阻，放大器轉(zhuǎn)化為0-5V電壓信號后，進(jìn)入MAX197的CH7通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而系統(tǒng)可以采集8路電流信號。

　　1.6 開關(guān)量采集電路設(shè)計

　　系統(tǒng)通過一片8255芯片來擴(kuò)展并行口。編程使8255的A口為輸入，用于采集8路開關(guān)信號。B口為輸出，用于8路開關(guān)量的輸出。為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，開關(guān)量輸入／輸出通道都采用光電隔離。開關(guān)量采集電路圖略。

　　1.7 頻率信號測量電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)利用8253芯片的定時器／計數(shù)器1和2對兩路待測脈沖個數(shù)進(jìn)行記數(shù)，8253的定時器／計數(shù)器0用來定時，利用W77E58有多個中斷源的特性，定時結(jié)束產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀取8253定時器／計數(shù)器1和2的當(dāng)前記數(shù)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(shù)據(jù)總線相連，單片機(jī)P2口高三位經(jīng)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(shè)計

　　一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。 根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為半雙工；信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工。 串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機(jī)中，主要使用異步通訊方式。

　　為了使設(shè)計的數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)用方便，系統(tǒng)利用PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊，以便能隨時響應(yīng)控制中心的PC機(jī)的數(shù)據(jù)上傳命令，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)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(shù)據(jù)傳輸模塊。其通訊速率最高可達(dá)20Mbit／s，也可工作在其他速率，如4800bit／s、9600bit／s。系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸原理圖如圖6所示。

　　PTR2000可直接與單片機(jī)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(jī)串口的RXD和TXD，這樣單片機(jī)就可以和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行串行通信。由于上位機(jī)串口通常采用RS-232 電平，而單片機(jī)串口使用的是TTL電平，故PTR2000與上位機(jī)連接時必須將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，系統(tǒng)采用MAXM公司的MAX232芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上位機(jī)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(zhuǎn)換。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主程序首先對各接口芯片進(jìn)行初始化，然后分別調(diào)用各個子程序模塊以進(jìn)入各個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，并將采集到的數(shù)據(jù)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(yīng)的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示。如果系統(tǒng)接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)上傳命令，就將存儲在E2PROM中的數(shù)據(jù)通過 PTR2000發(fā)送給PC機(jī)。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(guān)重要的，這關(guān)系到無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，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(jī)的內(nèi)部定時器／計數(shù)器1 作為波特率發(fā)生器，本系統(tǒng)波特率設(shè)定為4800 bit／s；幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)；通信采用中斷方式；上位機(jī)采用COM 1通信。當(dāng)接收到上位機(jī)的命令后，中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)從單片機(jī)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換過程所需時間約5ms，然后將這些數(shù)據(jù)以FSK的調(diào)制形式發(fā)射出去， PTR2000模塊隨后恢復(fù)為接收狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟失，上位機(jī)將要求單片機(jī)系統(tǒng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止，串行中斷服務(wù)程序如圖8所示。

　　3 結(jié)束語

　　本文利用8位單片機(jī)設(shè)計的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以作為工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端來使用，也可以方便的設(shè)計成便攜式智能數(shù)據(jù)采集和通訊儀表，由于數(shù)據(jù)傳輸采用了無線方式，使其能夠非常廣泛的應(yīng)用于工業(yè)上需要數(shù)據(jù)采集的場合，具有比較高的實(shí)際應(yīng)用價值，給未來創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。