基于单片机的数据采集系统的设计(下位机部分)

基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） I摘 要 近年来，各种单片机的数据采集系统 (DAS) 广泛应用于工业生产、测量和工业控制技术中， 但是传统的单片机数据采集系统因为其有限的功能使得整个系统的性能显得较差。 而由 Microchip 公司生产的 PIC16C74 是一款较新的中档产品，它具有高速 (Harvard ) 结构、低功耗、高代码压缩率、抗干扰能力强、 FLASH 存储器、开发方便以及性价比高等优点，因此使用 PIC16C74 作为核心部件，在硬件方面 :能够让电路的设计更为简洁、实用，既提高了整个设计的安全性和可靠性，又降低整个系统的功耗；在软件方面 :使我们在程序调试、模拟运行方面更容易、更方便快捷。 本系统采以 PIC16C74 为核心，对旋转编码器输出的信号进行处理，对正反转信号分别计数，求出总的旋转角度。所得的数据计算出个十百位后送往 HD7279 芯片驱动数码管显示，同时把数据发往计算机的并口。 关键词 ： PIC 单片机，数据采集，旋转编码器 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） IIAbstract In recent years, various data acquisition system (DAS) widely used in industrial production, industrial measurement and control technology, But the traditional DAS system makes poor performance because of its limited functionality. and the PIC16C74 made from Microchip company is a relatively new midrange product. it has many benefits such as high-speed (Harvard) structure, low power consumption, high code compression ratio, Strong anti-interference capability, FLASH memory, Facilitate of development, Cost-effective and so on. Therefore use the PIC16C74 as core component has many benefits. In terms of hardware: it allows the circuit design more concise and practical, Not only improve the overall design of the safety and reliability, but also reduce the whole system power consumption of the whole system; In terms of software: it make us more convenient and efficient to debug and simulation option. This system use the PIC16C74 as core component, treat the output signal of the Rotary encoder and count the positive signal and negative signal of the first road and second road. The data is calculated and sent to the HD7279 chip. Then HD7279 chip drive the digital display. At the same time the data was sent to computers parallel port. Key words： PIC, data acquisition, rotary encoder 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - III目 录 第一章 前 言 .1 1.1 数据采集系统的发展和历史 . 1 1.2 基于单片机的数据采集系统概述 . 2 第二章 单片机数据采集系统分析 .3 2.1 数据采集系统的功能 . 3 2.2.数据采集系统的设计方案 . 3 第三章 数据采集系统的硬件设计 .5 3.1 单片机的选型 . 5 3.2 稳压电源模块 . 6 3.3 角度测量模块 . 8 3.4 译码及显示模块 . 12 3.5 单片机时钟电路 . 16 3.6 单片机与并口的通信 . 17 3.7 总的系统硬件框图 . 19 第四章 PIC 单片机简介 .20 4.1 PIC 单片机基本结构 . 20 4.2 PIC16C74 介绍 . 23 4.3 PIC16C74 的定时器 . 25 4.4 PIC16C74 的中断 . 26 4.5 PIC16C74 的 I/O 口介绍 . 27 第五章 系统软件设计 .30 5.1 主程序设计 . 30 5.2 中断服务程序设计 . 31 5.3 显示模块软件设计 . 33 5.4 数据处理程序设计 . 36 参 考 文 献 .41 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - IV致 谢 .42 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 1第一章 前 言 1.1 数据采集系统的发展和历史 数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非熟练人员进行操作,并且测试任务由测试设备高速自动控制完成的。 由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。 20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器，仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器，通用接口总线和计算机等构成。例如国际标准ICE625接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：STD总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内， 然后由一台计算机控制。 第二类系统在工业现场应用较多。 这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统(DAS)。目前有的DAS产品精基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 2度已达16位采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。 1.2 基于单片机的数据采集系统概述 随着微电子技术与计算机技术的发展，人类社会已进入信息时代。人们为了更好地认识世界，尽可能多地获取自然界的各种信息，单纯依靠人类的感官已远远不能满足人们的愿望。 由微处理器和各种性能优良的器件构成的数据采集系统的应用日益广泛为人类获取各种信息提供了必要的手段，众所周知，数据采集系统是模拟系统和数字系统之间的接口。为了能够采集快速变化的信号，例如，发动机的点火过程、机械的冲击振动等等，总是希望数据采集速率越快越好，所以，一个数据采集系统的优良与否直接关系到一个控制系统性能的好坏。 要求所设计该数据数采集系统应具有如下功能:能够对模拟量和开关量进行采集; 能够对所采集的数据进行基本数据处理功能; 能够将所采集和处理的数据进行LED显示; 能够同上位机PC 机进行并口通信。 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 3第二章 单片机数据采集系统分析 2.1 数据采集系统的功能 本系统的功能是：系统开始运行后，旋转编码器开始对角度量进行测量，每过一个角度就产生信号， 单片机的外围电路对两路编码器的信号进行简单处理并发送给单片机。单片机接收信号，对正反转的角度量进行计算，并计算出角度的个十百位，然后把处理完的两路数据发送给显示模块，并由显示模块驱动 2 组 4 位数码管显示。最后单片机把处理的数据发送给 PC 机。 2.2.数据采集系统的设计方案 从数据采集系统的功能来分析， 可以在设计中把数据采集系统分为以下几个模块： 1旋转编码器 2稳压电源 3单片机 4译码及显示模块 5单片机和PC通信 旋转编码器用于实时检测目标的角度实时变化及把相应的信号通过不同的方式传出去。 稳压电源模块用于为电路板提供稳定的电压。 单片机模块用于接收来自旋转编码器的信号并且处理， 一路二路信号的个十百位的计算并发送到译码芯片及并口。 译码及显示模块接收单片机的个十百位译码并显示。 单片机和PC机通信模块把两路计算完的信号传送给PC机。 数据采集系统框图如下所示： 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 4图 2.1 系统框图 从上框图中可以看出，单片机是整个系统的核心，所有的数据都要在单片机里进行处理并和外设联系。 本系统方案的重点在于单片机的数据处理部分和单片机与译码及显示模块的通信部分。 单片机旋转编码器 译码及显示 与 PC 机通信 信号处理电路 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 5第三章 数据采集系统的硬件设计 3.1 单片机的选型 从本系统的功能上考虑，由于角度量变化的很快，要在角度变化的极短时间内处理数据并完成单片机与外设芯片的通信过程，这就要求单片机能够快速的，精确的处理数据。 当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。针对具体情况，我们应选何种型号呢？首先，我们来弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。下图是两种结构的示意图： 图 3.1 两种不同结构示意图 属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。一般来CPU 程序和数据 存储器 数据存储器 CPU 程序存储器 冯 .诺依曼结构 （普林斯顿结构）哈佛结构 基于单片机的数据采集系统的设计（下位机部分） - - 6说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。下面是市场流行的几种单片机的对比 表 3.1 几种常用微处理器处理速度的比较 微控制器 BCD 码转换 循环控制 位测试转移 8 位同步发送 10 软件定时 总相对性能COP800 4 2 2 16 8 20MHZ (NS)公司 2 11 1 1.46 1 1.29 MC68HC05 10 3 3 20 11 4.2MHZ (Motorola 公司 ) 5 1.5 1.5 1.82 1.38 2.24 8048/49 4 2 5 14 9 11 MHZ 2 1 2.5 1.28 1.13 1.58 PIC16C7X 20 MHZ