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单片机数据采集系统设计

  摘要:在微机测控系统中,经常要用到A/D转换,常用的方法是扩展一块或多块A/D采集卡,当模拟量较少或是温度、压力等缓变信号场合,采用总线型A/D卡并不是最合适、最经济的方案。这里介绍一种以GMS97C2051单片机为核心,采用TLC2543 12位串行A/D转换器构成的采样模块,该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机(IBM PC兼容机)的串口COM1或COM2,形成一种串行数据采集串行数据传输的方式。经实践调试证实,该模块功耗低、采样精度高、可靠性好、接口简便,有一定实用价值。
  关键词:单片机 数据采集 系统
  
  数据采集技术是一种实用的电子技术,它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来,随着数字化技术的不断发展,数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。数据采集是为了对温度、压力、流量、速度、位移、光强度、声音等物理量进行在线测量和控制,通过传感器把上述物理量转换成模拟物理量的电信号,然后将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量,送进计算机处理、存储、传输和显示。
  一、系统分析与总体设计
  通用数据采集系统由硬件和软件两部分组成。硬件由单片机、A/D转换器和显示驱动电路等组成,软件包括主程序、系统监控、定时/中断等子程序组成。硬件和软件只有密切配合、协调一致,才能组成一个高性能的数据采集系统。在系统开发过程中,硬件和软件的设计是相互关联的,不能截然分开,硬件设计时应考虑系统资源及软件的实现方法,而软件设计时又要了解硬件的工作原理。本系统是采用AT89S52单片机、串行A/D转换器、LED显示驱动芯片、非易失存储器、监控芯片(WATCHDOG)和LED数码管等器件设计的一套多路通用数据采集系统。该系统可将各种标准变送器送来的模拟电信号(4~20mA或0~5V)经过A/D转换和程序运算处理转换成相应非电量的数值并实时显示和存储,利用VC++设计的数据接收处理软件,上位机PC通过RS232串口可以接收来自数据采集系统的各项数据,并作进一步处理。该系统以单片机为核心,结合监控电路、A/D转换器、键盘控制电路、非易失存储器、日历/时钟电路、串行通讯接口、显示驱动芯片,加上匹配电源构成了一个小型数据采集系统。
  二、系统的硬件抗干扰设计
  系统的硬件抗干扰设计是整个系统抗干扰设计的主体。它是软件抗干扰设计的基础,因为抗干扰软件及其重要数据都是以固件形式存放在ROM中的,没有硬件电路的可靠工作,就谈不上软件抗干扰了。系统的硬件抗干扰问题可分为供电系统的抗干扰设计、长线传输的抗干扰设计、印刷电路板的抗干扰设计和地线系统的抗干扰设计。由于木次设计没有经过现场调试,只用了PROTEL软件设计了印刷电路,因此木次设计重点考虑了印刷电路板和地线系统的抗干扰设计。
  1、印刷电路板的抗干扰设计。在单片机应用系统中,印刷电路是电源线、信号线和元器件的高度集合体,它们在电气上相互影响。因此,印刷电路板的设计必须符合抗干扰原则,以抑制大部分干扰,对软硬件的调试都及其重要。木系统的印刷电路板设计主要是遵循以卜几个抗干扰原则进行设计的。(l)电源线布置原则。在印刷电路板上,电源线的布置应注意三点:一是要根据电流大小,尽量加宽导线;二是电源线和地线的走向应同数据线的传递方向一致;三是印刷电路板的电源输入端应接去祸电容。稳压电源单独做在一块电路板上。(2)地线布置原则。通常,印刷电路板上的地线有数字地和模拟地两类。数字地是高速数字电路的地线,模拟地是模拟电路的地线。数字地和模拟地的布置应遵循三条原则:一是数字地和模拟地要分开走线,并分别和各自的电源地线相连;二是地线要加粗,至少要加粗到允许通过电流三倍以上;三是接地线应注意构成闭合回路,以减小地线上的电位差,提高系统的抗干扰能力。(3)信号线的分类走线。通常,印刷电路板上的走线类型较多,为了减小各类线间的相互干扰,功率线要同信号线分开布置;驱动线也要同信号线分开走线。(4)去藕电容的配置。为了提高系统的综合抗干扰能力,印刷电路板上各关键部位都应配置去祸电容。需要配置的部位有:电路板的电源进线端;每块集成电路芯片的电源引脚到地;中一片机的复位端到地。(5)印刷电路板尺寸和元器件布置。印刷电路板尺寸要适中。器件布置时应考虑器件类型和功能,应尽量使高频器件同低频器件分开集中布置,小电流电路和大电流电路都要远离逻辑电路。
  2、地线系统的抗干扰设计。地线系统的设计,对系统的抗干扰性能影响极大。在单片机应用系统中,地线系统主要包括前述的数字地和模拟地以及保护地和屏蔽。正确的接地方法是:所有的逻辑地应连在一起,逻辑地只能在信号源一侧或负载一侧,同保护地单点相联,通常放在信号源一侧。
  三、系统的软件抗干扰设计
  软件抗干扰只是硬件抗干扰的补充和完善,但也十分重要。因为系统在噪声环境卜运行时,大量的干扰常常并不损坏硬件系统,却会使系统无法正常工作。通常,软件抗干扰系统可分为三种:一是数据采集中的软件抗干扰;二是控制失灵的软件抗干扰;三是程序运行失常的软件抗干扰。
  1、数据采集中的软件抗干扰。在工业控制场合,中一片机都要采集被监控的各种参数。由于工业环境恶劣和被测参数的信号微弱,尽答单片机前向系统中采用了种种硬件抗干扰措施,但有时还会受到干扰侵害。因此,系统设计时必须辅之以各种抗干扰软件,采用软硬结合的抗干扰措施。
  2、程序运行失常的软件抗干扰。在单片机应用系统中,各种干扰源常使指令的地址码和操作码发生改变,中一片机中程序计数器PC就会把操作数当作指令执行,或PC值指向了非程序区,程序的运行最终导致单片机进入死循环。为了确保单片机从死循环中恢复正常运行,通常可采用软件陷阱、监视定时器(WDT)以及软件控制的WATCHDOG电路三种方法中的任何一种。
  
  参考文献:
  [1]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004
  [2]马忠梅、籍顺心、张凯.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001
  [3]张义红.单片机与TLC2543模数转换器的接口设计[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2005(2):79~82


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