基于W77E58的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黨世紅

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、控制和科學(xué)研究領(lǐng)域中，對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)如溫度、壓力及振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸和處理是必不可少的組成部分。將溫度、壓力、流量、位移等模擬信息采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程就是數(shù)據(jù)采集，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。高性能微控制器W77E58具有功耗低、體積小、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)場控制[2]。

1 采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器、通信模塊、計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）等幾大模塊組成。如圖1所示。外部世界、現(xiàn)場等的各種參量是模擬量，傳感器的作用是把這些模擬量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)模擬量（可以是電壓，也可以是電流、電脈沖），經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路再把這些電信號(hào)模擬量送給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），使這些模擬量轉(zhuǎn)化為可以讓微控制器識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過通信模塊，微控制器將采集到的信號(hào)傳給PC機(jī)，PC機(jī)人機(jī)接口界面負(fù)責(zé)控制、存儲(chǔ)和處理采集到的數(shù)據(jù)。

實(shí)際應(yīng)用中，因傳感器的輸出信號(hào)多為弱信號(hào)，信號(hào)與采集系統(tǒng)的距離相對較長，為防止信號(hào)的嚴(yán)重衰減，采用電流信號(hào)傳輸；在信號(hào)接收端，通過I／V轉(zhuǎn)換電路，再把信號(hào)復(fù)原成電壓信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波等調(diào)理電路后，送到A/D轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of data acquisition

圖2 模擬量信號(hào)采集結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of analog signal acquisition

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為減小電阻本身的噪聲和受環(huán)境的影響，采用40歐1%精密小電阻將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.144～0.72 V的電壓信號(hào)。如圖3所示，電容C1用于濾除高頻噪聲。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

對于每一個(gè)采集對象，都要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在輸入信號(hào)數(shù)目很多時(shí)，需要使用多路模擬開關(guān)輪流將多個(gè)模擬量依次接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。在本設(shè)計(jì)中選用的多路模擬開關(guān)是CD4051[4]，A/D轉(zhuǎn)換器選用了美國MASIM公司的MAX 197芯片，MAX197采用逐行逼近工作方式，內(nèi)部的輸入跟蹤/保持電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量輸出[5]。

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.3 I/V conversion circuit

圖4是采集系統(tǒng)的一路模擬信號(hào)經(jīng)過濾波電路、多路選擇開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控制器的電路圖。單片機(jī)W77E58的P0口與MAX197的D0～D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。用W77E58單片機(jī)的P2.4作為MAX197的片選。選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平。采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，所以REFADJ和REF均接低電平。W77E58單片機(jī)的P2.6腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與W77E58的P2.5相連，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束和準(zhǔn)備讀輸出數(shù)據(jù)時(shí)，INT變低。在電路中，AGND和DGND應(yīng)相互獨(dú)立，各種電源與模擬地之間都用0.1 μF電容來消除電源的紋波。

圖4 模擬量信號(hào)采集電路圖Fig.4 Circuit diagram of analog signal acquisition

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模擬量采集程序的設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)階段。第1階段為A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，第2階段為模擬量數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)，第3階段是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果處理的程序設(shè)計(jì)。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

硬件電路中MAX197芯片用于采集模擬量，MAX197控制字格式如表1所示。

表1 MAX197控制字格式Tab.1 Control word format of MAX197

A2，A1，A0通過不同0，1組合選擇8路模擬量中的某一路；RNG和BIP的0，1組合確定所采集模擬量的范圍，最大為±15 V；ACQMOD決定MAX197采用內(nèi)部采集模式還是外部采集模式；PD0和PD1組合決定選擇正常工作模式還是低功耗工作模式。具體程序如下：

3.2 數(shù)字濾波

為保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對模擬量A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波處理。在程序設(shè)計(jì)中采用了中位值平均濾波法。對每個(gè)模擬量連續(xù)采樣n次，求出n次采樣結(jié)果之和，去掉其中最大值xmax和最小值xmin，然后求剩下n－2個(gè)數(shù)平均值，以作為該模擬量的實(shí)際值[6]。

3.3 采集結(jié)果修正

模擬量的參考值是實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)，所以需要把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的變換關(guān)系修正為實(shí)際值，然后再執(zhí)行狀態(tài)判斷操作。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對多路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可通過串口將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)并顯示，此系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)配上不同的傳感器及相應(yīng)的處理電路，稍加改動(dòng)，便可在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因而具有較高的實(shí)用性。

[1]肖鐘祥.數(shù)據(jù)采集原理[M].西安：西北工業(yè)出版社，2001.

[2]張盛福，王喜斌，張鵬.華邦51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3]Muhammad Ali Mazidi.8051微控制器和嵌入式系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]林焯華，蔣梁中，姚錫凡，等.一個(gè)單片機(jī)串行數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（29）：229－232.

LIN Zhuo-hua，JIANG Liang-zhong，YAO Xi-fan，et al.A design for serial data acquisition and transmission module of single chip[J].Microcomputer Information，2006，22（29）：229－232.

[5]Maxim Integrated Products.MAX197 Data sheet[EB/OL].2007.http://www.maxim－ic.com.cn.

[6]薛晨陽，譚秋林，馬游春，等.紅外傳感器的信號(hào)提取和數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（2）：45－46.

XUE Chen-yang，TAN Qiu-lin，MA You-chun.Design of signal obtainment and data acquisition in infrared sensors[J].Instrument Technique and Sensor，2007（2）：45－46.