“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示和打印的過(guò)程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文的主要任務(wù)是對(duì)0～5V的直流電壓進(jìn)行測(cè)量并送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)上進(jìn)行顯示。由于采集的是直流信號(hào)，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)不必加采樣保持電路。因此選用市面上比較常見(jiàn)的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉(zhuǎn)換速度快，價(jià)格低廉，可以直接將直流電壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量。同時(shí)選用低功耗的LCD顯示器件來(lái)滿(mǎn)足其在終端顯示采集結(jié)果的需求。終端鍵盤(pán)控制采用盡可能少的鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，為了防止鍵盤(pán)不用時(shí)的誤操作。設(shè)計(jì)時(shí)還設(shè)置了鎖鍵功能，在鍵盤(pán)的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來(lái)降低硬件開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件設(shè)計(jì)方面則采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想;鍵盤(pán)模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了單片機(jī)的效率以及實(shí)時(shí)處理能力。
1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般由信號(hào)調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)等組成。本文主要完成功能的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.ADC0809的結(jié)構(gòu)功能
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為處理器。電子計(jì)算機(jī)所處理和傳輸?shù)亩际遣贿B續(xù)的數(shù)字信號(hào)，而實(shí)際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后.需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號(hào)才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因此，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路，即A/D轉(zhuǎn)換器就是現(xiàn)實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換的橋梁。
目前，世界上有多種類(lèi)型的A/D轉(zhuǎn)換器，如并行比較型、逐次逼近型、積分型等。本文采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，該類(lèi)AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高。速度快，價(jià)格適中，是目前種類(lèi)最多，應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。
ADC0809就是一種CMOS單片逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力。該器件既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。其輸入輸出與TTL兼容。
圖2 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
ADC0809是8路8位A/D轉(zhuǎn)換器f即分辨率8位)，具有轉(zhuǎn)換起停控制端，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs采用單+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V。且不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)，工作溫度范圍為一40一+85℃功耗可抵達(dá)約15mW。
3.ADC0809與單片機(jī)的接口電路
ADC0809與MCS一51系列單片機(jī)的接口電路如圖3所示。圖中，74LS373輸出的低3位地址A2、A1、AO~II到通道選擇端A、B、C，可作為通道編碼。其通道基本地址為0000H～0007H。8051的WR與P2.7經(jīng)過(guò)或非門(mén)后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2.7經(jīng)或非門(mén)后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機(jī)的P3.3(INT1)。
圖3 ADC0809與8051單片機(jī)的接口電路圖
4.單片機(jī)與PC機(jī)的互連
目前的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)都是在RS一232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成的。RS一323C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))與BELL等公司一起開(kāi)發(fā)通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口(如信號(hào)線(xiàn)功能、電器)特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。
4.1電氣特性
EIA-RS-232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線(xiàn)功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上，邏輯1(MARK)電平為-3V～-15V，邏輯0(SPACE)電平為+3～+15V;而RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上，信號(hào)有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)電壓為+3V～+15V，信號(hào)無(wú)效(斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)電壓為-3V～-15V。
以上規(guī)定說(shuō)明了RS-323C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)(信息碼)：邏輯“1”(傳號(hào))的電平低于-3V，邏輯“0”(空號(hào))的電平高于+3V;對(duì)于控制信號(hào);接通狀態(tài)(ON)即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)(OFF)即信號(hào)無(wú)效的電平低于-3V，也就是說(shuō)，當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路才可以有效地檢查出來(lái)，介于-3～+3V之間的電壓無(wú)意義。低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無(wú)意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±(3～l5)V之間。
對(duì)于EIA-RS-232C與TTL的轉(zhuǎn)換，由于EIA-RS-232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，它與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或與終端的TTL器件連接，就必須在EIA—RS一232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。
4.2DB-9連接器
DB-9連接器作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個(gè)串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個(gè)信號(hào)。由于DB-9型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號(hào)完全不同。因此，若要與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備進(jìn)行連接，就必須使用專(zhuān)門(mén)的電纜線(xiàn)。
設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電纜長(zhǎng)度的要求是在通信速率低于20kb/s時(shí)，RS-232C所直接連接的最大物理距離應(yīng)為15m(50英尺)。
根據(jù)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間的最大傳輸距離為15m(50英尺)。由于這個(gè)最大距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。因此，為了保證碼元畸變小于4%的要求，本接口標(biāo)準(zhǔn)在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容應(yīng)小于25O0pF。
4.3單片機(jī)與MAX232的連接
MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器。該芯片可完成TTL↔ElA雙向電平轉(zhuǎn)換。其片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器。可以在單+5V伏電壓供電時(shí)提供EIA/TTL一232一E電平。每個(gè)接收器都應(yīng)將EIM/TIA一232一E電平轉(zhuǎn)換為5VTTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門(mén)限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收30V輸入。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA一232一E電平。MAX232的工作溫度范圍為0～70%。
圖4所示是MAX232芯片的工作電路圖。在實(shí)際應(yīng)用中，該器件對(duì)電源的噪聲很敏感。圖中的四個(gè)取同樣數(shù)值的電解電容(1.OlxF/16V)，用以提高抗干擾能力。本設(shè)計(jì)可從MAX232芯片中的兩路發(fā)送接收器中選用一路作為接口，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意發(fā)送與接收的對(duì)應(yīng)。
圖4 MAX232的應(yīng)用電路圖
結(jié)束語(yǔ)
本文給出了一個(gè)基于AD0809和單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法，該方法在終端采用8051單片機(jī)為核心來(lái)控制數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)上傳工作，并通過(guò)MD轉(zhuǎn)換器將0-5V的直流電壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理，從而完成在終端顯示以及將數(shù)據(jù)上傳等功能。系統(tǒng)中的上位機(jī)完成對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及對(duì)下位機(jī)的控制等功能。
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