毕业论文-便携式多通道数据采样系统的设计.doc

毕业设计(论文)题 目 学院名称 指导教师 职 称 班 级 学 号 学生姓名 2008年5月29日目录摘要-Abstract-第一章 绪论-11.1 引言-1.2 国内外研究现状-2 1.2.1 数据采集与处理的发展趋势- 1.2.2 国内外数据采集器的应用年现状-1.3 该课题研究的主要内容-2第2章 单片机多通道采集技术-3 2.1 单片机技术-4 2.2 数据采集技术-5 2.3 通信技术-5 2.4 方案论证-52.4.1 模数转化器的方案选择-62.4.2 通信方式的选择-72.4.3 最终系统设计框架-8 第三章 硬件部分设计-9 3.1 单片机的选型- 3.2 A/D转化器ADC0809-10 3.3 数据存储器6264-11 3.4 电源电路的设计-12 3.5 接口电路与抗干扰电路的设计-13 3.6 本章小结-14第四章 软件部分设计- 15 4.1、初始化程序-164.2、A/D转化子程序-174.3、USB通信程序-184.4、抗干扰设计-194. 4.1硬件抗干扰设计-204. 4.2软件抗干扰措施-214.5、本章小结-24结束语-26参考文献-27致谢-30附录 A-32附录 B-33便携式多通道数据采样系统的设计 Portable multichannel data sampling system design摘要 本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机80C51来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，数据存储模块，和USB接口。该系统从机负责数据采集并应答主机的命令。8路被测电压通过模数转换器ADC0809进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过USB传输到上位机，由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用PC来显示所采集的结果。软件部分应用VC+编写控制软件, 单片机的初始化程序、A/D转化程序、串口通信程序进行了设计。关键词：数据采集、 80C51、 ADC0809、 串口通信Abstract This article describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer .The data collection system is the link between the digital domain and analog domain. It has a very important function. The introductive point of this text is a data to collect the system. The hardware of the system focuses on signal-chip microcomputer .Data collection and communication control use modular design. The data collected to control with correspondence to adopt a machine 80C51 to carry out. The part of hardwares core is AT80C51, is also includes A/D conversion module, Memory module and the USB interface. Slave machine is responsible for data acquisition and answering the host machine.8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of ADC0809 the realization carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect .Then send the data to the host machine through the USB .the host machine is responsible for data and display .The software is partly programmed with VC+. The software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. MCU initialization procedure the A/D conversion process, the serial communication program designKeyword: data acquisition、80C51、ADC0809、serial communication第一章 绪 论 1.1、引言 在现实中要通过计算机对现实世界中的信息的处理与显示。首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将现实世界中的信号（称为模拟信号) 转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号），这一过程即是数据采集。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。一个大型的数据采集系统由一下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、数据分析、数据显示等。 随着计算机技术的发展计算机技术在信号处理中的广泛应用。现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强，形成了所谓的数字化的测量技术。数字化测量就是借助与各种类型的传感器检测外部的各种信号，并转换为电信号，然后进行信号调理和A/D转化，使之转换为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将电压，电流，温度、压力等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用：目前，传感器正不断朝着多功能性与智能性方向发展。在当今网络化时代，以internet为代表的计算机网络通信的发展和应用得到了前所未有的突破与成功。网络化测量、采集与控制技术正随着网络技术的发展而迅速发展。网络化、分布式的数据采集优势体现在：采样范围扩大，处理能力增强，信息的索取更加方便，并且能够适应场合变更的需求。传感器技术、计算机技术和网络技术的长足发展以及由此所产生的测量需求成为数据采集技术不竭的动力，并对数据采集技术提出了更新、更高的要求：测量的方法与种类范围不断的更新，能适应不同的实验环境的需要。简言之，数据采集系统技术的发展离不开传感器和计算机控制技术，网络化测量、采集和控制是其发展的不然趋势。国内现在有不少数据测量与采集的系统。这些数据测量与采集系统的研制与成功解决了部分用户的需要，但是也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并对测试环境要求较高的问题。本文在研究单片机技术、单片机数据采集及单片机通信技术的基础上，设计并实现了基于单片机的便携式多通道数据采集系统，该系统具有结构简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点。1.2、国内外研究现状1.2.1、数据采集的与处理的发展趋势数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转化为计算机能识别的数字信号，并送到计算机，然后将计算机得到的数据进行显示与打印，以便实现对某些物理量的监视。其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度与速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采样、实时处理和实时控制对速度的要求。当计算机技术应用到各个领域中并取得不俗的表现后，测量技术有经历了一场全数字化的变革。传统的数据采集包括：测、处、管、控四个部分，应用了计算机技术后，这四个环节的工作在时间与空间上的界限就不那么明显了，换句话说当数据采集电路通过传感器将测量值采集，量化之后通过计算机接口传入计算机中利用软件来完成对大量的数据的处理，而这一切，都因为计算机在数字信号处理方面无可比拟的优势而能瞬间完成，数据采集硬件和软件的集成也就产生了数据采集系统的概念。作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面的影响。比如：测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术以及在实践中不断提出新的要求。这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新的要求，具体表现在：1. 随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式在不断的变化。2. 从当前世界自动化技术的发展趋势，现代控制技术区域全程化。即在生产过程的全时间领域内实现在线控制与管理。3. 现代控制技术采用人工智能技术（模糊逻辑、人工神经网、专家系统、模式识别、遗传算法和小波分析）对生产过程参数将行测量，以提高控制精度，保证品质。4. 传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，出了对复杂的生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用已经扩展到企业产品的生产过程、管理过程以及企业间资源的优化与配置。可见，现代控制技术对计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测量需求成为测量技术发展不竭的动力。1.2.2 国内外数据采集器的应用现状1、国内外数据采集器的现状 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经有了很大的发展。从近年来看国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的应用特点还反映了以下几方面的特点：（1） 它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FIT分析，而且还可以做倒谱、细化、时域分析等功能。（2） 它既是采集器，又可以兼做其他一起来使用。如法国迈威公司的MOVIL-OG数据采集器，就可以作为一台动平衡仪来用。它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡。（3） 存储量大，从低频到高频测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要。（4） 数据采集配套的软件是以通过窗口的软件为基础，功能较强。一套软件可以支持数种不同型号与档次的数据采集器。（5） 数据采集系统已安装LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键，原器件高度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防碰击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。2. 国内数据采集器的现状上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研发了多种数据采集器，其中当通道的有SP201、SC247型。双通道的有EG3300、YE5938型，超小型的有911、902和921型。具有采集静态信号的有SMC-9012型。所配套的软件包基本包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般监测和故障诊断，基本已经达到了国外的数据采集的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在一定的差距，主要表现在：（1） 由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频谱的范围不宽，给一些高速的机器诊断带来了一定的困难。（2） 由于数据采集器内存不大，数据采集器本身的信号处理能力不强，在现场只能做一些简单的诊断，现场精密诊断功能较弱。（3） 设备的软件水平仍然在设备维修管理和基本的频谱分析上徘徊，机器诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是数据采集的三个重要因素。数据采集正朝着这几个方向发展，高速，实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域都有着非常重要的应用实例。因此数据采集仍然会有长足的发展。1.3、该课题研究的主要内容 本论文研究的是具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛运用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家具等诸多领域的基于单片机得到多通道数据采集系统。在硬件结构上，它主要由单片机（MCU）、A/D转化器、与PC机进行通信的接口电路、PC机。在软件结构上，它主要由多路信号采集、PC与单片机的通讯、数据的实时的动态显示、数据处理及保存等程序。 本论文主要对基于单片机的多通道数据采集系统的结构及功能进行分析，并设计与实现基于单片机的多通道信号采集系统，完成并进行性能分析。 本次设计需要完成以下工作：研究基于单片机的便携式、多通道数据采集系统的设计及实现。该工作分析了不同类型的单片机与PC机之间的通信技术的基础上，设计了单片机控制的多通道采集系统，并通过基于USB总线的串口通信实现单片机与PC机之间的通信，实现数据的传送并将数据在PC机上显示，并给出了的硬件、软件的实现的方法及分析。 第二章 单片机的多通道采集技术 数据采集电路通过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算机接口传入计算机中利用软件来完成对大量数据的处理，数据采集系统的发展将受到测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术等因素的影响。数据采集系统的核心元件是单片机，关键技术是数据采集与计算机通信技术。2.1 单片机技术在信号采集系统中，单片机主要充当控制ADC，并对采集系统的数据传输到上位机的角色，同时若上位机反馈信息、指令，单片机收到指令后还需对外围设备进行相关的控制。单片机已广泛应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。下面介绍几种常见的单片机的特点：1.MCS51 单片机MCS51系列单片机开始是Intel公司在20世纪80年代处研发出来的，但现在以MCS51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电器公司竞相选用的对象，并以此为基础，推出了许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能。例如ATMEL公司推出的AT89S51单片机，PHILIS公司系列单片机，华邦（WINBOND），silicon公司出厂的C8051FXXX单片机。现在以常用的AT89C51为例:AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含有4Kbtytes的可系统编程的Flash只读存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准的MCS-51系列指令系统及引脚。它集FLASH程序存储器既可以在线编程也可用传统的方法进行编程，片内置8位微处理器以及FLASH存储单元，它功能强大的AT89C51单片机可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活运用于各种控制领域。2. PIC单片机由美国microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISG结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位的OTP技术等体现了单片机的新趋势。在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设，家电控制、电讯通信、智能仪器等各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。PIC8位单片机具有指令少、执行速度快等优点。其主要原因是PIC系列的单片机在结构上与其他的单片机不同。该系列的单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种结构与一般采用CLSL（复杂指令计算机）的单片机在结构上是有不同的。PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O接口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其他的单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。上述各项，就是PIC系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期的重要原因。3、AVR单片机AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势。该系列的程序存储器是片内的FLASH存储器，可以反复修改上千次，这对新产品的开发，产品的升级都是很方便的。单片机的指令基本上都是单个晶振周期的，能够到 1MIPS/MHZ的性能。该系列单片机针对应用C语言编程做了优化。这一系列的单片机很多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式有利于降低系统的功耗。再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入、PWM输出等功能，它也可以称为“零外设”的单片机，具有片上系统的雏形。因此AVR单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越的性能。AVR单片机家族已经发展成为一个很全的系统：包括TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、RF AVR等类别。TINY AVR系列的典型芯片有TINY11、TINY12、TINY13等等，这一类型的单片机的特点是很好地把价格、性能和灵活性结合起来了，典型的应用包括锂电池充电器、冰箱控制等。AVR MEGA系列的典型芯片有ATMEGA8、ATMEGA16等，这一类型的单片机的特点是带有具有自编程能力的程序存储器，可以通过SPI和IC编程，适用于需要远程编程和现场升级的领域；同时该种单片机具有很全的外围设备适用于多种应用。LCD AVR加上了LCD驱动器比如ATMEGA169能够驱动4X25段的LCD。USB AVR单片机例如：At 43USB351M集成了USB的物理层与数据链路层的硬件协议，同时由AVR核通过变成实现传输层的实现。RF AVR例如：AT86F401在AVR核的控制下实现开关键控的无线射频数据输出。 目前单片机的发展速度较快，单片机的型号繁多，要根据不同的系统的功能要求、性能指标及价格等选择型号，一般来说，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，如通信产品，工业控制系统应采用CISC单片机。2.2、数据采集技术目前数据采集系统已广泛应用到测量、监测、控制、诊断、科学实验等领域中。近二十年来，数据采集技术得到了飞跃的发展，在形式上有原来的专用测试仪器到现在的使用微机的虚拟仪器；采集的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率；采集的速率由几KPS到现在最高速率已达2GPS，记录设备由原来的手记、纸带的模拟或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录、磁光盘记录。对于数据采集系统中使用那种技术取决于对下列因素的权衡：1、分辨率。由于精密原件的成本高，所以随着分辨率的提高，A/D转化器的价格也会急剧上升。8位分辨率的模拟多路器的每通道的价格几乎相当于一个A/D转化器的价格。2、通道数。通道数决定所用多路器的大小，连线数量以及内部连线。在许多情况下，把数字多路器连接到共用数据线上，可是连线数量降到最少。模拟多路切换适应于8-256个通道；超过这个数量，此技术难以应用，模拟也很难减小。在大系统中，数字与模拟多路切换通常结合在一起应用。3、检测速度或吞吐量。高速的A/D转化器会使系统的造价大幅度的上升。如果模拟多路器要求高速高速转化器达到所要求的采样速率，那么每一通道配置一个低速转化器 ，并进行数字多路切换就会跟便宜些。4、 监测点的物理位置。鉴于模拟信号存在衰减、传输线的放射以及干扰等问题，模拟量多路切换适合于距转化器几百英寸以外的监测。依据信号电平，传输距离以及环境噪声，传输线可以从双绞线到多心屏蔽电缆。如果有适合的传输设备，在几千英里以内，均可进行数字切换操作，因为数字传输系统能提供长距离传输所要求的功能强大的抑制噪音的特性。2.3、通信技术通信是信息的处理、传输和交换过程，即信息的交流。我们通常将信号的产生者叫信源，信息的接受者叫信宿，传播信号的媒介叫载体，信宿与信源之间的信息的传递的途径与设备叫信道。通信技术是研究如何将信源产生的信息，通过传输媒介，高效、安全、迅速、准确地传到受信者的技术。通常，根据传输媒介的不同，通信技术可分为有线通信技术和无线通信技术两大类：根据传输信号类型的不同，通信技术可分为模拟通信技术和数字通信技术。计算机通信按接口来分可分为并行通信方式和串行通信方式。1、并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过相应的数据线传送给接受设备，还可附加一位数据校验位。接受设备可同时接受到这些数据，不需要作任何变换就可直接使用。并行通信主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种通信的优势在于传输速度快、处理简单；缺点是所需的连线较多，远距离通信时成本高。2、 串行通信串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并串转化硬件转化成串行的方式，在逐位经传输线到达接受站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换为并行方式，以供接收方使用。串行传输类型又有一下几种：（1）RS-232串行通信接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的串行接口。RS-232被定义为一种低速率串行通信中增加通讯距离的单标准。RS-232采用不平衡的传输方式，即所谓的单端通信。收、发端的数据信号是相对于信号地，典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传输数据到结束，线上的电平从TTL电平到RS-232电平再返回到TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V之间。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15m，最高速率为20KB/S，RS-232是为点到点通讯而设计的，其驱动器的负载为37K。所以RS-232适合本地设备之间的通信。计算机上的串行通信口RS-232是标配，虽然与现在许多新的标准相比，RS-232通信速率低，传输距离短，但由于其控制相对简单，设计成本低，在许多工控设备、电子测量仪器上都备有RS-232通信端口侧，一般的计算机将COM1以9pin的接头接出.（2）RS-422串行通信接口 如果在工业环境杂讯干扰较强，用RS-232作为传输很容易受到干扰，是信号发生错误。为此常改用RS-422传输方式。RS-422的信号被传输出去时会先分正负两条线路，到达接收端后，在将信号相减还原回原来的信号。这样可有效防止杂讯的干扰，传输距离和速度也得到提高。RS-422与RS-232不一样，数据信号采样差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2-6V,是另一种的逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能“端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用来控制发送器驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端器作用时，发送驱动器处于高阻态，称为“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-232是四线接口，实际上还有一根信号地线，共5根线。RS-422的最大传输距离为1219m，最大传输速率为10MB/S。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1000KB/S速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的传输距离下才能获得最高的传输速率。一般100m长的双绞线上所能获得的最大的传输速率仅为1MB/S.（2）RS-485串行通信接口 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电器规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接32个设备。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485为-7+12V，而RS-422在-7+7之间；RS-485满足所有的RS-422规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422的网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离为1219m，最大传输速率为10MB/S。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100KB/S速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率的传输。一般100m长双绞线最大传输速率仅为1MB/S。在MCU之间长距离的通信的诸多方案中，RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛运用于工厂自动化、工业控制、小区监控等领域。但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面存在缺陷，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。（2）USB通用串行通信接口USB通用串行总线接口是现在比较流行的接口，它最大的好处在于能支持多达127个外设，外设可以独立供电，也可以通过USB接口从主板上获得500mA+5V的电流并且支持热拔插，真正实现即插即用。USB的带宽容量可容纳多种不同的数据流，因此可连接大量的设备，并且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同的比特率，而且可动态变化。 USB接口有着功能强大、传输速率高、连接外设数量多 ，可向外设提供电源等特点，其运用越来越广，但是USB接口的上位机（PC机）程序的开发有着开发难度大、涉及知识面广、开发周期长等特点，同时下位机（即单片机）硬件设计是必须选用带有USB接口的单片机或扩展专门的USB接口芯片，这必然会给下位机的软硬件系统设计增加难度并提高了软硬件的成本。所以，USB接口通常用于对传输速度高、传输功能复杂或需要上位机提供电源的外设与装置上。2.4 方案论证2.4.1 模数转化器的方案选择 A/D转化器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位和16位等。位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转化器的型号很多，在精度和转化速度上有很大的差别。常用的有双积分A/D转化器和逐次逼近式A/D转化器。1、 双积分A/D转化器 双积分式是一种间接式A/D转化器，优点是转化精度高，速度快；缺点是转化时间长，一般要4050ms，适用于转化速度不快的场合。 2、逐次逼近式A/D转化器 逐次逼近式属于直接式A/D转化器，转化精度高，转化速度快，但价格较贵，是目前种类最多，应用最广的A/D转化器。 由于本次设计的采集系统的采样速度较高，但是精度要求不高，在这种场合下A/D转化器选择价格中等的逐次逼近式A/D转化器ADC0809。ADC0809是一种高速度、低噪声、低漂移的逐次逼近式8位A/D转化器。它的最大特点是其数据输出为8位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。2.4.2 通信方式的方案选择微机PC和单片机数据采集器之间的数据交换，通信的类型主要有串行与并行两种传输方式。并行传输由于数据线间相互干扰明显，传输距离不能很远，故在此主要考虑串行传输方式，串行传输类型主要有RS-232总线方式、RS-422总线方式、RS-485总线方式、USB总线方式、IEEE-1394总线方式等。由于本系统对采集的模拟信号速率高，且对周围的环境要求较高，从设计的简单实用，利于维护，并考虑到成本方面的因数，对以上的几种传输方式，优先选USB总线方式。2.4.3 最终系统设计框架单片机数据采集电路的功能是对多路模拟信号的采集与预处理部分，包括单片机电路、A/D转换电路、信号处理电路等，选择何种技术要根据设计的电路的应用范围决定，本文设计的数据采集系统是一个应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等领域的通用型数据采集系统，确定该系统采集分辨率为8位、通道数为8路、检测速度为几十MPS、信号电平为小于或等于5V、检测距离小于或等于10m。由工作原理与实际的应用出发，系统如下图所示。系统由以下几部分组成：单片机、信号调理模块、A/D转化器ADC0809、电源模块、通信模块等。2.5、本章小结 本章对单片机技术、数据采集技术及计算机通信技术等方面进行研究。分别分析了常用的MCS51单片机、PIC单片机、AVR单片机的特点及应用范围。研究了数据采技术中分辨率、通道数、检测速度、信号电平及检测点等因素对设计的便携式数据采集系统的影响，由这几个因素决定了该数据采集系统使用的技术。 分别对计算机的通信技术的并行接口及串行接口的方式及特点进行研究，重点分析了应用较广的通用串口总线RS-232、RS-422、RS-485、USB等的特点及应用范围。并对本设计的主要部分做出了选择论证，确定了最终的系统设计框架。第三章、硬件部分设计3.1、单片机的选型 由于本系统的采样数据能实时输出，因此存储只需要较小的RAM，又由于本人对80C51单片机比较熟悉，为了避免选择不熟悉的单片机再进行对单片机的学习，影响设计的进度在此采用80C51单片机作为CPU模块的核心。1、80C51整体介绍80C51单片机是MCS-51型单片机。它无论在I/O口的系统扩展能力、指令系统和CPU的处理能力等方面都比早期的单片机要强。有4K闪存作程序存储器，256字节的片内数据存储器和两个16位定时/计数器。四个并行口中，P0口既可作为单片机系统的地址/数据线使用，又可以作为通用数据输入/输出口；P1口只能作为通用的数据I/O口；P2口既可以作为系统高位地址线使用，也可作为通用的I/O口；P3口既可以作为通用I/O口使用，也可作为第二功能使用。CPU模块主要依靠80C51单片机强大的I/O口读写功能通过地址线和数据线实现对其他个模块工作的管理。要使80C51单片机工作必须有晶振电路。系统中单片机及晶振电路如下图所示：2、80C51的功能引脚VCC：芯片工作电源电压，为+5V。VSS:地线。P0：P0口是一组8位由D触发器构成的锁存器、两个场效应管、一个多路转化开关MUX、引脚数据输入缓冲的缓冲器构成的双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。8位口线的锁存位构成一个口的锁存器，所谓口地址就是锁存器的地址。锁存器用于锁存输出的数据，是数据在口中保留一段时间。多路转化开关MUX的一个输入来自锁存器，另一个输入为“地址/数据”。输入转接由“控制”信号控制。设置多路转化开关，是因为P0口既可以作为通用的I/O口进行数据输入/输出，又可以作为单片机系统的地址/数据线使用。即在控制信号作用下，由MUX实现锁存器输出和地址/数据线之间的接通转接。P1：P1口只能作为通用数据I/O口使用，因为它只传送数据，所以不再需要多路转接开关，其他结构与P0口一样。当P1口作为输出口使用时，能对外提供一定的电流负载，所以不用外接上拉电阻，而当P1口作为输入口使用时，应先向其锁存器写入1，把输出驱动电路的FET截止，使口线引脚被内部的上拉电阻上拉为高电平。其后，若输入的是1，则引脚维持高电平；若输入的是0，则引脚状态送到输入缓冲器，当接到来自CPU的读命令后，三态门打开，引脚状态传送到内部总线上。P2：P2口由D触发器构成的锁存器、一个场效应管、多路开关MUX、引脚数据输入缓冲的缓冲器，一个反相器，一个上拉电阻构成。P2口既可以作为系统高位地址线使用，也可作为通用的I/O口使用。但是多路开关MUX的一个输入不再是“地址/数据”，而是单一的“地址”，因为在构造系统总线时，P2口只能作为高位地址线而不能作为数据线使用。当P2口作为高位地址线使用时，多路转化开关倒向“地址端”;而当作为通用I/O口使用时，多路开关倒向锁存器的Q端。P3：P3口由D触发器构成的锁存器、一个场效应管、引脚数据输入缓冲的缓冲器、一个与非门、一个缓冲器。为适应输出第二功能信号的需要，在P3口线电路中增加了一个“与非门”，该“与非门”的作用相当于一个开关，控制口线引脚输出的是锁存器中的数据还是第二功能信号。为适应输入第二功能信号的需要，在P3口线的输入通路上增加一个缓冲器，输入方向的第二功能信号就从这个缓冲器进入。当对P3口即为数据输出口，若要把P3口作为输入口使用，与其他各口一样，应先由软件对口锁存器位写1，使锁存器输出端Q为高电平，“与非”门输入低电平，则场效应管截止，口线引脚进入高阻抗状态。此时若CPU发来读命令，左边缓冲器的“读引脚”信号有效，该缓冲器开通，而右边缓冲器又是常开的，于是引脚信号就经过两个缓冲器读入到内部数据总线上。P3口的第二功能如下表所示:口线第二功能信号第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通RST/VPD:复位输入。当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用于完成单片机的复位操作。ALE/PROG：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传输。此外由于ALE是以1/6晶振频率的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。/PSEN：外部程序存储器读选通信号.在读外部ROM时/PSEN有效，以实现外部ROM单元的读操作。/EA/VPP:外部访问允许。当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；当/EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，可延续到外部程序存储器。XTAL1、XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号。3.2 8位逐次逼近A/D转化器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的COMS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转化器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转化。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1、 ADC0809的引脚图如下所示： ADC0809为28引脚双列直插式的封装，各引脚的功能如下：GND:数字地，0V。IN0IN7：模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围为05V。A、 B、C：地址线，模拟通道的选择信号。A为低位地址，C为高位地址。ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿时，A, B，C地址状态送入到地址锁存器中。START：转化启动信号。START上跳沿，所有内部寄存器清零0；START下跳沿时，开始进行A/D转化；在A/D转化期间，START应保持低电平。D0D7：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以与单片机的数据直接相连。D0为最低位，D7为最高位。OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转化得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转化的数据。CLK：外部时钟信号输入端。ADC0809的内部没有时钟电路，所需要的时钟信号有外界提供，因此，有时钟信号引脚。EOC：转化结束信号。EOC=0，正在进行转化；EOC=1，转化结束。使用中该状态信号既可以作为查询状态标志，又可以作为中断请求信号使用。VREF:参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准,在此VREF+=+5V，VREF-=0V。因为ADC0809内部没有参考电压电压，因此从VREF-和VREF+分别接入外部电压源，一般情况下被采集的信号经I/V、滤波输出限幅后的信号为05V电压信号，所以VREF-和VREF+分别选取0V与+5V。有因为ADC0809内部没有时钟信号源，所以要使ADC0809工作则必须在外部接入时钟信号，由于AD0809的转化周期为100us左右，所以80C51的ALE要经过分频电路才能作为ADC0809的时钟信号。2、ADC0809的内部逻辑结构ADC0809的内部有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接与80C51的数据总线相连。ADC0809的分辨率为8位，单一5V供电，功耗为15mW。内部结构如下图所示：3.3、数据存储器6264由于设计的为数据采集系统，采集到的数据将实时的输出显示在PC机上，因为SRAM存储器速度快，不必配合内存刷新电路，工作效率较高，所以选择SRAM作为80C51的数据存储器的扩展，SRAM的典型芯片有2KB的6116、8KB的6264、以及32K的62256，由于80C51的内部数据存储单元2KB，因此进行数据存储器的扩展时，8KB的数据存储器已满足要求，因此在此选择8KB的6264作为80C51的外部数据存储器。6264是