基于單片機的通用數據采集和通訊儀的設計

0 引言

單片機數據采集系統是指利用單片機對現場(chǎng)的各種信號，包括：非電量信號(如溫度、壓力、流量等)，電信號(電壓、電流)，以及開(kāi)關(guān)量，頻率量信號等進(jìn)行采集，存儲，顯示，傳輸的系統。目前，8位單片機由于其控制功能強大、品種多、價(jià)格低廉，正廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是應用在數據采集，設備控制等方面，是單片機應用中的主流機種。本文采用臺灣華邦公司生產(chǎn)的高性能Turbo-51系列單片機 W77E58，實(shí)現了一種基于單片機的通用數據采集和通訊儀的研制，具有較高的實(shí)用價(jià)值。為了使設計的數據采集儀應用方便，系統利用PTR2000無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊與上位機進(jìn)行通訊，以便能隨時(shí)響應控制中心的PC機的數據上傳命令，將采集到的數據實(shí)時(shí)上傳給控制中心。

1 系統硬件設計

本文設計的通用數據采集和通訊儀能夠對各種現場(chǎng)設備的標準輸出信號進(jìn)行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號；開(kāi)關(guān)量信號；頻率量信號；此外系統還具有RS-485接口，以便能夠與現場(chǎng)具有485接口的智能儀表相連接。為了實(shí)現良好的人機交互，系統擴展了鍵盤(pán)輸入，液晶顯示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及現場(chǎng)故障報警指示電路等模塊。系統總體框圖如圖1所示。

1．1 電源模塊電路設計

在單片機數據采集系統中，電源的設計是非常關(guān)鍵的。本儀表設計采用電網(wǎng)和充電電池雙電源供電。電源設計如圖2所示。

當電網(wǎng)電壓正常時(shí)，220V交流電經(jīng)過(guò)24V穩壓電源，電解電容器C1濾波后的電壓經(jīng)二極管D1后分成兩路，一路通過(guò)三極管Q1到7805三端穩壓芯片，完成穩壓輸出+5V電壓，供單片機W77E58等芯片所需的電源；另一路通過(guò)電阻R1對鎳鎘電池9V進(jìn)行充電，充電電流選擇約40mA。如果電網(wǎng)停電， C1放電為0V，這時(shí)，電池通過(guò)D2、Q1到7805向電路供電，使輸出端仍有+5V電壓，從而完成電網(wǎng)短時(shí)停電時(shí)，單片機后備電源的功能。

二極管D1起隔離作用，使得當電網(wǎng)偶爾停電時(shí)，能夠阻止電池電流流向24V穩壓電源。穩壓管D3(5．6V)的作用，是防止電池(+9V)過(guò)放電，即當電池放電下降到約6V時(shí)，因D3作用，三極管Q1截止，電池放電停止，此時(shí)單片機將停電。

1．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887

為了能夠實(shí)時(shí)顯示系統時(shí)間以及實(shí)現按時(shí)間日期保存采集到的數據的功能，系統擴展了一片并行實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導體公司推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集成于芯片內部。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高、工作穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在現代工業(yè)控制及智能儀器儀表中有著(zhù)廣泛的用途。

1．3 鍵盤(pán)接口電路

為便于人機交互，采用專(zhuān)用鍵盤(pán)接口芯片8279，配合74LS138譯碼器，系統擴展了3×8=24鍵的鍵盤(pán)。鍵盤(pán)上設置有0～9數字鍵，以便輸入各種信息。同時(shí)還設有各種控制按鍵。通過(guò)鍵盤(pán)能夠控制對各種類(lèi)型數據進(jìn)行采集。為提高CPU的效率，鍵盤(pán)采用中斷方式。

1．4 LCD液晶顯示模塊

為便于實(shí)時(shí)顯示采集的數據及人機交互，系統擴展了圖文液晶顯示模塊MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精電公司生產(chǎn)的內置SED1520控制驅動(dòng)器的LCD模塊，使用簡(jiǎn)單方便。液晶顯示模塊MGLS-12032與W77E58的硬件接口

其中D0～D7與單片機的數據總線(xiàn)相連，A0、A1為單片機的P0口經(jīng)74LS373地址鎖存器后產(chǎn)生的低兩位地址線(xiàn)，系統用74LS138譯碼器產(chǎn)生的Y5、Y6作為MGLS12032兩個(gè)控制驅動(dòng)器工作的選通信號。

1．5 模擬信號采集電路

系統采用12位并行A／D轉換器MAX197對傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號進(jìn)行采集。MAX197是美國Maxim公司推出的多量程(本系統采用0-5V量程)、8通道、12位快速A／D轉換器，采用逐次逼近工作方式，片內含有高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時(shí)鐘的情況下完成一切A／D轉換功能，應用非常方便。并且MAX197內部具有輸入跟蹤／采樣保持電路，其并行輸出口很容易與單片機連接，僅需外接幾個(gè)電容即可。

MAX197與單片機的典型接口電路如圖4所示。設計采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V電壓信號。而4-20mA電流信號則經(jīng)過(guò)8選 1模擬開(kāi)關(guān)CD4051輪流選通，再經(jīng)靈敏電阻，放大器轉化為0-5V電壓信號后，進(jìn)入MAX197的CH7通道進(jìn)行模數轉換，從而系統可以采集8路電流信號。

1．6 開(kāi)關(guān)量采集電路設計

系統通過(guò)一片8255芯片來(lái)擴展并行口。編程使8255的A口為輸入，用于采集8路開(kāi)關(guān)信號。B口為輸出，用于8路開(kāi)關(guān)量的輸出。為了增強系統抗干擾能力，開(kāi)關(guān)量輸入／輸出通道都采用光電隔離。開(kāi)關(guān)量采集電路圖略。

1．7 頻率信號測量電路設計

本系統利用8253芯片的定時(shí)器／計數器1和2對兩路待測脈沖個(gè)數進(jìn)行記數，8253的定時(shí)器／計數器0用來(lái)定時(shí)，利用W77E58有多個(gè)中斷源的特性，定時(shí)結束產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀取8253定時(shí)器／計數器1和2的當前記數值，通過(guò)計算便可得到待測頻率量。

頻率信號測量電路如圖5所示。其中D0-D7與W77E58數據總線(xiàn)相連，單片機P2口高三位經(jīng)138譯碼器譯出的Y0與8253的CS引腳相連，用來(lái)選通8253芯片，8253的A0、A1直接與低二位地址線(xiàn)相連，因此8253的端口地址為1FFCH～1FFFH。

1．8 串行通訊設計

利用MAX485芯片，W77E58單片機的增強串口用來(lái)擴展485接口，以便能夠與工業(yè)現場(chǎng)具有485接口的智能儀表相連接。單片機與MAX485芯片的連接只需要外加幾個(gè)電阻，非常簡(jiǎn)便，在此不再詳述。

為了使設計的數據采集儀應用方便，系統利用PTR2000無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊與上位機進(jìn)行通訊，以便能隨時(shí)響應控制中心的PC機的數據上傳命令，將采集到的數據實(shí)時(shí)上傳給控制中心。PTR2000是一種超小型、低功耗、高速率的無(wú)線(xiàn)收發(fā)數據傳輸模塊。其通訊速率最高可達20Mbit／s，也可工作在其他速率，如4800bit／s、9600bit／s。系統無(wú)線(xiàn)數據傳輸原理圖如圖6所示。

PTR2000可直接與單片機的串口TXD、RXD相連接。PTR2000無(wú)線(xiàn)MODEM的DO和DI引腳分別連接單片機串口的RXD和TXD，這樣單片機就可以和無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊進(jìn)行串行通信。PTR2000的PWR腳和單片機的P1．0腳相連，以便對無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊的電源進(jìn)行管理，TXEN與單片機的P1．1腳連接，控制PTR2000無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉換。上位機通過(guò)PTR2000與單片機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。由于上位機串口通常采用RS-232 電平，而單片機串口使用的是TTL電平，故PTR2000與上位機連接時(shí)必須將TTL電平轉換成RS-232電平，系統采用MAXM公司的MAX232芯片進(jìn)行轉換。上位機用串口的RTS與PTR2000的TXEN連接來(lái)控制PTR2000無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉換。

2 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，主程序首先對各接口芯片進(jìn)行初始化，然后分別調用各個(gè)子程序模塊以進(jìn)入各個(gè)數據采集子系統，并將采集到的數據存儲在32K字節的串行E2PROM AT24C256中，以備控制中心查詢(xún)，同時(shí)將對應的數據在液晶顯示器上顯示。如果系統接收到上位機的數據上傳命令，就將存儲在E2PROM中的數據通過(guò) PTR2000發(fā)送給PC機。系統主程序流程如圖7所示。

串口通信程序中雙方通信協(xié)議是至關(guān)重要的，這關(guān)系到無(wú)線(xiàn)數據傳輸的可靠性，本系統約定雙方的通信協(xié)議格式如下：串行通信使用單片機的內部定時(shí)器／計數器1 作為波特率發(fā)生器，本系統波特率設定為4800 bit／s；幀格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗；通信采用中斷方式；上位機采用COM 1通信。在設計時(shí)，數據傳輸通道也采用光電隔離來(lái)提高系統的抗干擾能力，并且采用了CRC校驗以確保數據傳輸的準確。單片機系統初始化時(shí)，將單片機的 P1．1腳設置為低電平，這就可使得在默認狀態(tài)下，PTR2000處于接收狀態(tài)，以便時(shí)刻監聽(tīng)上位機的數據上傳命令。當接收到上位機的命令后，中斷服務(wù)程序將數據從單片機數據緩沖區取出，同時(shí)將模塊的接收狀態(tài)切換為發(fā)射狀態(tài)，轉換過(guò)程所需時(shí)間約5ms，然后將這些數據以FSK的調制形式發(fā)射出去， PTR2000模塊隨后恢復為接收狀態(tài)。從單片機系統發(fā)射的數據經(jīng)上位機系統中的PTR2000接收，由RS232接口進(jìn)行電平轉換，送進(jìn)上位機，上位機對數據進(jìn)行分析和處理后，向單片機系統發(fā)送一個(gè)確認數據包，以確認單片機系統數據包的正確性。上位機接收完數據后，它的PTR2000模塊又恢復為常發(fā)射狀態(tài)。如果數據在傳輸的過(guò)程中有數據丟失，上位機將要求單片機系統重新發(fā)送數據，直到數據全部正確為止，串行中斷服務(wù)程序如圖8所示。

3 結束語(yǔ)

本文利用8位單片機設計的通用數據采集系統，可以作為工業(yè)現場(chǎng)的遠程監控終端來(lái)使用，也可以方便的設計成便攜式智能數據采集和通訊儀表，由于數據傳輸采用了無(wú)線(xiàn)方式，使其能夠非常廣泛的應用于工業(yè)上需要數據采集的場(chǎng)合，具有比較高的實(shí)際應用價(jià)值。