多路数据采集系统方案

`数据采集系统

1、系统方案选择和论证

1.1题目要求

1.1.1基本要求

1.1.2发挥部分

1.2系统基本方案

1.2.1各模块电路的方案选择及论证

1.2.2系统各模块的最终方案

2、系统硬件设计与实现

2.1系统硬件模块关系

2.2 主要单元电路的设计

2.2.1正弦信号发生器设计

2.2.2F/V变换部分设计

2.2.3信号采集部分处理

2.2.4通信模块部分设计

2.2.5数据地址显示电路设计

3、系统软件设计

3.1主单片机程序

3.1.1主机发送子程序

3.1.2主机数据处理子程序

3.1.3主机显示子程序

3.1.4主机主程序

3.2从单片机程序

3.2.1数据采集子程序

3.2.2从机中断接受子程序

3.2.3从机子程序

4、系统测试

附录1：产品使用说明

附录2：元件清单

参考文献

1. 系统方案选择和论证

1.1.1基本要求

设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如下：

主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线（实验中用1米线代替）进行采集的显示和显示。具体设计任务是：

（1）现场模拟信号产生器。

（2）八路数据采集器。

（3）主控器。

二、设计要求

1．基本要求

（1）现场模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz～2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5V直流电压（200Hz对应1V，2kHz对应5V）。

（2）八路数据采集器：数据采集器第1路输入自制1～5V直流电压，第2～7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第8路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

（3）主控器：主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路……8路、……1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。

2．发挥部分

（1）利用电路补偿或其它方法提高可变电阻值变化与输出直流电压变化的线性关系；

（2）尽可能减少传输线数目；

（3）其它功能的改进（例如：增加传输距离，改善显示功能）。

1.2系统基本方案

根据题目要求系统模块分可以划分为：现场信号发生模块，V/F 变换模块，信号采集处理模块，通信控制模块，显示模块。系统的框图如图1.2.1 所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

下图为系统基本模块图：

1.2.1各模块电路的方案选择及论证

（1）现场信号发生模块

该模块工作在远距离终端，作为模拟待采样的信号源，产生正弦波。对于该模块有以下两种方案：

方案一：采用ICL8038 集成芯片。构成三角波发生器及正弦整形电路。该IC 电路属于积分型施密特压控多谐振荡器，工作范围0.001HZ～300KHZ，完全可以达到设计要求。

方案二：由LM358 运放组成的幅值、频率可调的正弦振荡器。

图 1.2.2 所示为由 LM358 组成的正弦波发生器

A1 组成的电路相当于比例积分器，A2 所组成的电路相当于比较器。接通电源后，A2 输出为低电平（0V），而 A1 输出为高电平，由于有电容 C，则这个高电平是逐渐增长的，即随着电容 C经 RW2、R2 去路不断地充电，使 A1 的 1 脚电位逐渐增长。当其电位增长到高于 Vcc／2 时，A2 输出变为高电平。A2 的高电平使 A1 反相端为高电平，则 A1 输出力图为低电平，但由于 C 上电压不能突变，其输出端电位只能随电容 C 经 RW2、R2 支路反相充电而下降。当下降到低于 VCC／2 时，A2 输出又变成低电平。于是 A1 输出力图为高电平，C 由于上的电压不能突变，其输出端电位只能随 C 的充电逐渐上升……如此工作产生正弦波。

其具体电路图如图 1.2.2 所示。

振荡频率：f＝1/２π（RW2+R2）C。调节RW2 可改变振荡频率。

频率变化范围为：２.９～5.3KHz。输出信号的幅度调节通过改变RW1 来实现。

幅度调节范围为：2～6V。

（2）F/V 变换模块

F/V 变换模块采用模拟集成频率--电压变换器LM331。LM331 具有精度高、线形度高，温度系数低，功耗低动态范围宽等一系列优点，目前已经广泛应用于数据采集和自动控制中。

（3）信号采集处理模块

该模块功能主要是将输入过来的模拟信号转化成数字信号，实现数据的采集与处理。现在提出以下方案来完成此功能。

A/D 采集模块工作在远程数据采集端，用于将模拟信号转换成数字信号。计划采用ADC0809作为模数转换器。ADC0809 为CMOS 集成电路，属于逐位逼近比较型的转换器，分辨率为8 位，转换时间为100us，数据输出端内部具有三态输出锁存器，可以与单片机直接连接；而界具有8路模拟开关，可直接连接8 个模拟量，并可程控选择对其中一个模拟量进行转化。它与单片机连接简单，使用方便。

（4）通信控制模块

方案一：由于信号采集处理采用双单片机，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、平滑、发送；近端完成数据的接收、校验、纠错、处理与显示等。

且由于两单片机之间的通讯距离较远，故采用RS-485 的通信标准。

方案二：可以在信号采集处理模块中采用模拟电路实现信号的串行/并行转换，而只在数

据显示时用单片机来控制实现，故此时的通信控制是用单片机的输出控制信号来控制模拟电路的工作的。

（5）显示模块

方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。

方案二：采用四位LED 七段数码管分别显示通道地址、电压值。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD 编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

1.2.2 系统各模块的最终方案

根据以上方案，结合器件和实现条件等因素，确定如下方案：

（1）.利用ICL8038 集成芯片来作为正弦波信号的产生器。

（2）.F/V 变换模块采用LM331 频压变换器。

（3）.采用双单片机MSP430F5529 和ADC12 来实完成信号的采集与处理。

（4）.单片机之间的通信选取RS-232 的通信标准。

（5）.显示模块的实现是选用12864液晶屏动态显示。

2. 硬件设计与实现

2.1 系统硬件模块关系

图2.1.1 所示为系统硬件电路单元模块关系图

方案一：采用ICL8038-2正弦波信号发生器：

方案二：

ICL8038-2正弦波信号发生器

LM331集成芯片组成的F/V变换电路

单片机数据处理采集单元

主单片机MSP430F5529纠错、校验、处理单元RS-232标准

通信

文氏振荡产生正弦波信号

谐振、整流、滤波组成的F/V变换电路

单片机数据处理采集单元

RS-232标准

通信

主单片机MSP430F5529纠错、校验、处理单元

2.2.主要单元电路设计

2.2.1 正弦波信号发生器设计

方案一：设计中采用ILC8038来产生正弦波。通过调节RP1来改变频率，其范围值为20HZ ∽20KHZ，RP3 用于改善正弦波负向失真。RP4 改善正弦波正向失真。其电路图如2.2.1

图2.2.1 正弦波信号发生电路

上图还可以同时产生方波、三角波等信号

方案二：采用文氏电路产生频率可调的正弦波信号

文氏电路

2.2.2 F/V 变换电路设计

将正弦信号输入到F/V 变换电路之前要对正弦信号进行滤波、放大。其具体的电路变换兔如下。图2.2.2 所示为系统F/V 变换电路图。

F/V 变换模块采用精密且廉价的F/V 变换器LM331，此集成电路线形度可达0.06%，该IC输出电压V o 与输出频率的关系为V o=fi，而设计要求将200～2000HZ 的频率变换为1～5V 的电压，可得到变换式为：V=0.00222f+0.556故应对F/V 变换的结果进行电位平移。

2.2.3 信号采集处理单元模块设计

在此方案采用双单片机，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、平滑、发送；近端完成数据的接收、校验、纠错、处理与显示等。

A/D 转换器是受从单片机的控制的。

2.2.4 通信网络模块设计

本系统采用两个单片机来实现系统控制的。便于改变从单片机的数据采集方式，尽量减小传输线数目。由于系统采用具有自动控制的单片机，故该系统具有智能话处理能力，可以对不同错误做出处理。当系统开始运行后，从单片机发出一个选通信号指令选通某路A/D 转换的指令，并等待接收从单片机返回的信息。如果主单片机未收到回送的数据或接收到的数据错误，则重发指令。双单片机之间的通信实际采用MAX485 构成接口器件,传输速率为19.2Kbps，在此情况下可以保证两个单片机之间的良好通信。其电路图如图2.2.4.1 所示。

2.2.5 数据地址显示电路设计

由于题目中要求传送8 位二进制码，其分辨率达到1/256 ，显示电压分辨率为

5/255=0.0192V，所以电压显示需要3 位数码管。

显示采用动态扫描的方式，四个七段数码管逐位扫描。配合通道选择开头，可在LED 上同时显示一路或多路数据。数码管分别显示通道地址、电压值。数码管采用共阴极，由于AT89C52

单片机每个I/O 的拉电流只有1—2mA。所以在位码和段码都加上了同相驱动器。

单片机XTAL2、XTAL1 接12MHZ 晶振，提供系统时钟基值。另RESET 接复位按键。

3. 系统软件设计

系统的软件的设计是采用汇编语言，对单片机进行编程实现各种功能。

程序是在Windows 2000 环境下采用W A VE 软件编写的，可以实现对八路数据的采集与处理，并能实现对数据、地址的显示。主程序主要起到一个导向与决策的功能，决定什么时候采集数据处理数据显示数据。对于数据的处理的实际功能的实现主要是通过调用具体的子程序。本系统采用半双工传输，每次需要发送或接收数据时，控制MAX485 使其成为接收器或发送器。

3.1 主单片机程序

主机发送为一字节指令，其高 4 位和低四位均为要采集的通道号，格式为0***0***。其中***=000～111。主机发送完成指令后，立即转入接收状态，等待从机回送两字节数据，若在一定时间内未收到数据或收到的两字节数据不一致。则认为通信有误，转而重发一次指令。若重发三次均未成功，则点亮线路故障告警灯提醒用户。

3.1.1 主机发送程序流程图如3.1.1 所示。

3.1.2 主机数据处理子程序图如3.1.2 所示。

3.1.3 主机显示子程序图如3.1.3 所示。

3.1.4 主机主程序流程图如3.1.4 所示。

3.2 从单片机程序

为增强数据采集的实时性，从机在为收到指令时，轮流对8 路模拟信号进行采集变换，并存入相应单元。从机在接收到主机发送的指令后，回送相应的两字节8 位A/D 转换数据。

3.2.1 数据采集子程序流程图

数据的采集处理子程序主要是负责采集系统信号，并对所采集的信号做出初步的处理。单片机根据需要控制A/D 转换器采集某通道的数据。其程序流程图见主单片机程序图 3.2.1 所示。

3.2.2 从机中断接收子程序流程图

从机在接收到主机发送的指令后，回送相应的两字节8 位A/D 转换数据。中断接收子程序如图3.2.2

4 系统测试

附录1：产品使用说明

附录2：元件清单

附录3：系统硬件原理图

参考文献

[1].全国大学生电子设计大赛培训系列教程. 高吉祥主编.电子工业出版社.2007

[2].单片微型计算机原理及应用. 张毅坤等编著. 西安电子科技大学出版社.1998

[3].微型计算机接口技术. 王兆月等编著. 机械工业出版社.2006

[4].全国大学生电子设计竞赛训练教程. 黄智伟主编. 电子工业出版社. 2006