基于單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀的設(shè)計(jì)

0 引言

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指利用單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，包括：非電量信號(hào)(如溫度、壓力、流量等)，電信號(hào)(電壓、電流)，以及開關(guān)量，頻率量信號(hào)等進(jìn)行采集，存儲(chǔ)，顯示，傳輸?shù)南到y(tǒng)。目前，8位單片機(jī)由于其控制功能強(qiáng)大、品種多、價(jià)格低廉，正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制等方面，是單片機(jī)應(yīng)用中的主流機(jī)種。本文采用臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的高性能Turbo-51系列單片機(jī) W77E58，實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀的研制，具有較高的實(shí)用價(jià)值。為了使設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)上傳給控制中心。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀能夠?qū)Ω鞣N現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)進(jìn)行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號(hào)；開關(guān)量信號(hào)；頻率量信號(hào)；此外系統(tǒng)還具有RS-485接口，以便能夠與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)鐘以及現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)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(jì)

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

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)停電時(shí)，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(shí)，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(shí)，因D3作用，三極管Q1截止，電池放電停止，此時(shí)單片機(jī)將停電。

1．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887

為了能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)按時(shí)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(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導(dǎo)體公司推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時(shí)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(jiǎn)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(shí)還設(shè)有各種控制按鍵。通過鍵盤能夠控制對(duì)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

為便于實(shí)時(shí)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(dòng)器的LCD模塊，使用簡(jiǎn)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(gè)控制驅(qū)動(dòng)器工作的選通信號(hào)。

1．5 模擬信號(hào)采集電路

系統(tǒng)采用12位并行A／D轉(zhuǎn)換器MAX197對(duì)傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號(hào)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(shí)鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時(shí)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(gè)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(jì)采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V電壓信號(hào)。而4-20mA電流信號(hào)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(hào)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(hào)。

1．6 開關(guān)量采集電路設(shè)計(jì)

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(hào)。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(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用8253芯片的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1和2對(duì)兩路待測(cè)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行記數(shù)，8253的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0用來定時(shí)，利用W77E58有多個(gè)中斷源的特性，定時(shí)結(jié)束產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀取8253定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1和2的當(dāng)前記數(shù)值，通過計(jì)算便可得到待測(cè)頻率量。

頻率信號(hào)測(cè)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(jì)

利用MAX485芯片，W77E58單片機(jī)的增強(qiáng)串口用來擴(kuò)展485接口，以便能夠與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有485接口的智能儀表相連接。單片機(jī)與MAX485芯片的連接只需要外加幾個(gè)電阻，非常簡(jiǎn)便，在此不再詳述。

為了使設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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。PTR2000的PWR腳和單片機(jī)的P1．0腳相連，以便對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的電源進(jìn)行管理，TXEN與單片機(jī)的P1．1腳連接，控制PTR2000無線收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。上位機(jī)通過PTR2000與單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。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(shí)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(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序首先對(duì)各接口芯片進(jìn)行初始化，然后分別調(diào)用各個(gè)子程序模塊以進(jìn)入各個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在32K字節(jié)的串行E2PROM AT24C256中，以備控制中心查詢，同時(shí)將對(duì)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(chǔ)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(shí)器／計(jì)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。在設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸通道也采用光電隔離來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并且采用了CRC校驗(yàn)以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確。單片機(jī)系統(tǒng)初始化時(shí)，將單片機(jī)的 P1．1腳設(shè)置為低電平，這就可使得在默認(rèn)狀態(tài)下，PTR2000處于接收狀態(tài)，以便時(shí)刻監(jiān)聽上位機(jī)的數(shù)據(jù)上傳命令。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(shí)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(shí)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)。從單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)系統(tǒng)中的PTR2000接收，由RS232接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，送進(jìn)上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，以確認(rèn)單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的正確性。上位機(jī)接收完數(shù)據(jù)后，它的PTR2000模塊又恢復(fù)為常發(fā)射狀態(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(jì)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端來使用，也可以方便的設(shè)計(jì)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(chǎng)合，具有比較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。