基于C8051F350的多路高精度數據采集系統及應用

摘要：為針對一般的數據采集系統精度較低、價(jià)格較高的問(wèn)題，設計了一種低成本、高精度的多路數據采集系統系統由上、下位機兩部分組成，上、下位機通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通信。下位機選用C8051F350作為主控制器，A/D轉換采用C8051F350內部24位∑-△型ADC，并設計了RS-485總線(xiàn)接口，便于接入RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、上位機軟件使用LabVIEW編寫(xiě)，具有較好的人機交互界面實(shí)際使用表明，該系統能夠滿(mǎn)足高精度數據采集的要求。

數據采集是將模擬信號轉換為數字信號并進(jìn)行存儲、數據處理及顯示的過(guò)程，相應的系統稱(chēng)為數據采集系統。其主要任務(wù)是將傳感器輸出的信號經(jīng)過(guò)調理后送往A/D模塊完成轉換，然后輸入計算機進(jìn)行數據處理及顯示或傳輸。在工業(yè)領(lǐng)域中，下位機和上位機結合組成的數據采集與控制系統日漸成為主流模式。下位機通過(guò)單片機和A/D轉換器完成傳感器輸出信號的數據采集和簡(jiǎn)單數據處理，然后利用通訊總線(xiàn)將數據發(fā)送到計算機進(jìn)行數據分析處理，從而實(shí)現上、下位機的優(yōu)勢互補。

為了滿(mǎn)足低成本、高精度的要求，文中提出了一種基于C8051F350的高精度多路數據采集系統，充分利用C8051F350的片上24位具有低噪聲和高線(xiàn)性度的∑-△型ADC，減少硬件電路的設計，提高了系統的可靠性和穩定性，并設計了RS-485通訊接口，可應用于RS-485網(wǎng)絡(luò )及較遠距離的多路數據采集與傳輸。

1 概述

多路高精度數據采集系統是基于C8051F350片上24位∑-△型ADC和RS-485總線(xiàn)的弱電信號采集系統，可應用于傳感器輸出信號的采集、處理與傳輸，采用上、下位機的方式構建數據采集系統，上、下位機通過(guò)RS-485總線(xiàn)按照制定的通訊協(xié)議進(jìn)行通信。在上位機上可以直接發(fā)出控制命令，顯示和保存各種信號數值，對數據進(jìn)行分析處理。下位機接收上位機的控制命令，完成數據采集并將數據傳輸至上位機。

數據采集系統總體框圖如圖1所示。

2 數據采集系統硬件設計

數據采集系統硬件由信號放大電路、A/D轉換及主控制器、電壓基準電路、RS-485通訊接口和電源電路組成。信號放大模塊對輸入信號進(jìn)行放大，使信號處于參考電壓范圍內;主控制器片內的ADC實(shí)現模擬信號的A/D轉換;電壓基準為A/D轉換提供精準的參考電壓;主控制器負責整個(gè)系統的正常運行;RS-485通訊接口與上位機進(jìn)行通訊;電源模塊為各個(gè)模塊提供工作電壓。

2.1 信號放大電路

由于傳感器輸出的模擬信號一般都比較微弱，需要將信號放大至A/D轉換范圍內，以進(jìn)行傳感器數據的采集。

本文設計的數據采集系統采用放大器AD623實(shí)現模擬信號的放大，通道0的信號放大電路如圖2所示。

2.2 A/D轉換及主控制器

8051F350是Silicon Laboratories公司推出的混合信號系統級芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器內核，與MCS-51指令集完全兼容;機器周期由標準的12個(gè)系統時(shí)鐘降為1個(gè)系統時(shí)鐘周期，處理速度大大提高，峰值速度可達50 MIPS。

C8051F350單片機片上資源有24位∑-△型ADC、電壓基準、UART0、SPI、SMBus等。本系統利用C8051F350片上24位∑-△型ADC來(lái)實(shí)現模擬信號的A/D轉換，使用外部高精度電壓基準源作為參考電壓，A/D轉換及主控制器電路如圖3所示。為了獲得較高的轉換精度和穩定性，PGA =1，并使用SINC3濾波器，ADC0調制時(shí)鐘MDCLK為2.21184 MHz，抽取比為1728，轉換速率為10 Hz。

2.3 電壓基準電路

電壓基準為A/D轉換器提供參考電壓，基準電壓的精度直接影響A/D轉換的精度。為保證數據采集的精度，本系統選用MAX6325作為電壓基準源。

MAX6325是低噪聲、高精度電壓基準，溫度系數1.0 ppm/℃，初始精度±0.02%。電壓基準電路如圖4所示。

2.4 通訊接口

RS-485總線(xiàn)采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的方式進(jìn)行數據傳輸，具有抗共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好的特點(diǎn)。本系統采用RS-485總線(xiàn)進(jìn)行上、下位機的通信和數據傳輸，下位機通過(guò)通訊接口接受命令，完成相應的數據采集，通過(guò)通訊接口將采集數據傳輸至上位機。RS-485通訊接口模塊如圖5所示。

2.5 電源電路

數據采集裝置采用可充電鋰電池或直流電源供電，電源電路給裝置內各個(gè)模塊的元件器提供工作電壓。本系統所選用低工作電壓的芯片，整個(gè)裝置需要+5 V和+3.3 V電壓，降低了數據采集裝置的功耗，提高了可靠性和抗干擾能力，電源芯片采用LM1117DTX-5.0和LM1117 DTX-3.3。

3 數據采集系統軟件設計

3.1 單片機程序設計

采用Silicon Laboratories公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為開(kāi)發(fā)平臺，使用圖形化配置軟件對各個(gè)模塊進(jìn)行配置。程序流程圖如圖6所示，程序包括主程序、數據采集及處理、數據傳輸、串口中斷等部分。串口中斷中對接收到的數據進(jìn)行分析，如果是有效命令，則置位數據采集標志位并傳遞至主程序中，在主程序中完成數據采集與處理以及數據傳輸，完成之后清除數據采集標志位。

3.2 上位機軟件設計

LabVIEW是由美國國家儀器公司(National Instruments)推出的、主要面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺，是一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調試和運行的集成化環(huán)境。

LabVIEW的函數庫中提供了串口通訊函數，可用來(lái)設計下位機與PC機的串口通訊。定義通訊協(xié)議如下：密碼字+接收方地址+發(fā)送方地址+命令字+數據幀長(cháng)+數據域+結束字，波特率：9 600，數據位：8，停止位：1，無(wú)奇偶校驗。上位機與下位機串口通訊的程序框圖如圖7所示，首先上位機向下位機發(fā)送數據采集命令，然后等待下位機采集并上傳數據，接著(zhù)上位機從串口中讀取下位機上傳的數據，并返回主程序繼續執行。

4 在彈箭質(zhì)量質(zhì)心測量中的應用

彈箭質(zhì)量質(zhì)心是一項重要的靜態(tài)參數，在彈箭的研制過(guò)程中需要實(shí)現準確的測量。一般采用稱(chēng)重傳感器測量出各個(gè)支點(diǎn)所承受的力，通過(guò)計算得出質(zhì)量和質(zhì)心。表1為三組不同質(zhì)量樣柱的實(shí)測數據，由表1可知，系統測量精度優(yōu)于0.1‰，滿(mǎn)足彈箭質(zhì)量質(zhì)心高精度測量要求。

5 結論

該多路高精度數據采集系統，充分利用C8051F350片內24位∑-△型ADC，降低了成本，減少了芯片數量，使得電路板小巧、輕便，可應用于成本低、體積小的場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)調試與試驗，其采集精度和數據傳輸均達到設計要求，可滿(mǎn)足多路高精度數據采集的需要，并成功應用于彈箭質(zhì)量質(zhì)心測試系統。