基于C8051F350的多路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及應(yīng)用

沈金鑫，夏 靜

（南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

數(shù)據(jù)采集是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行存儲、數(shù)據(jù)處理及顯示的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其主要任務(wù)是將傳感器輸出的信號經(jīng)過調(diào)理后送往A/D模塊完成轉(zhuǎn)換，然后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理及顯示或傳輸。在工業(yè)領(lǐng)域中，下位機和上位機結(jié)合組成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)日漸成為主流模式。下位機通過單片機和A/D轉(zhuǎn)換器完成傳感器輸出信號的數(shù)據(jù)采集和簡單數(shù)據(jù)處理，然后利用通訊總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機進行數(shù)據(jù)分析處理，從而實現(xiàn)上、下位機的優(yōu)勢互補。

為了滿足低成本、高精度的要求，文中提出了一種基于C8051F350[1]的高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分利用C8051F350的片上24位具有低噪聲和高線性度的Σ-Δ型ADC，減少硬件電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并設(shè)計了RS-485通訊接口，可應(yīng)用于RS-485網(wǎng)絡(luò)及較遠(yuǎn)距離的多路數(shù)據(jù)采集與傳輸。

1 概 述

多路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC和RS-485總線的弱電信號采集系統(tǒng)，可應(yīng)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(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上、下位機通過RS-485總線按照制定的通訊協(xié)議進行通信。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(shù)值，對數(shù)據(jù)進行分析處理。下位機接收上位機的控制命令，完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖Fig. 1 Overall block diagram of the data acquisition system

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及主控制器、電壓基準(zhǔn)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行放大，使信號處于參考電壓范圍內(nèi)；主控制器片內(nèi)的ADC實現(xiàn)模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換；電壓基準(zhǔn)為A/D轉(zhuǎn)換提供精準(zhǔn)的參考電壓；主控制器負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的正常運行；RS-485通訊接口與上位機進行通訊；電源模塊為各個模塊提供工作電壓。

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(zhuǎn)換范圍內(nèi)，以進行傳感器數(shù)據(jù)的采集。

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用放大器AD623實現(xiàn)模擬信號的放大，通道0的信號放大電路如圖2所示。

圖2 信號放大電路Fig. 2 Signal amplification circuit

2.2 A/D轉(zhuǎn)換及主控制器

8051F350是Silicon Laboratories公司推出的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容；機器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理速度大大提高，峰值速度可達(dá)50 MIPS。

C8051F350單片機片上資源有24位Σ-Δ型ADC、電壓基準(zhǔn)、UART0、SPI、SMBus等。本系統(tǒng)利用C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC來實現(xiàn)模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換，使用外部高精度電壓基準(zhǔn)源作為參考電壓，A/D轉(zhuǎn)換及主控制器電路如圖3所示。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，PGA=1，并使用SINC3濾波器，ADC0調(diào)制時鐘MDCLK為2.211 84 MHz，抽取比為1 728，轉(zhuǎn)換速率為10 Hz。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換及主控制器Fig. 3 A/D conversion and main controller

2.3 電壓基準(zhǔn)電路

電壓基準(zhǔn)為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，基準(zhǔn)電壓的精度直接影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。為保證數(shù)據(jù)采集的精度，本系統(tǒng)選用MAX6325作為電壓基準(zhǔn)源。

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

圖4 電壓基準(zhǔn)電路Fig. 4 Voltage reference circuit

2.4 通訊接口

RS-485總線采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好的特點。本系統(tǒng)采用RS-485總線進行上、下位機的通信和數(shù)據(jù)傳輸，下位機通過通訊接口[4]接受命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，通過通訊接口將采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機。RS-485通訊接口模塊如圖5所示。

圖5 通訊接口Fig. 5 Communication interface

2.5 電源電路

數(shù)據(jù)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(nèi)各個模塊的元件器提供工作電壓。本系統(tǒng)所選用低工作電壓的芯片，整個裝置需要+5 V和+3.3 V電壓，降低了數(shù)據(jù)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LM1117DTX-3.3。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機程序設(shè)計

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

3.2 上位機軟件設(shè)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發(fā)平臺,是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行的集成化環(huán)境。

LabVIEW的函數(shù)庫中提供了串口通訊函數(shù), 可用來設(shè)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(shù)據(jù)幀長+數(shù)據(jù)域+結(jié)束字，波特率：9 600，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1，無奇偶校驗。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(shù)據(jù)采集命令，然后等待下位機采集并上傳數(shù)據(jù)，接著上位機從串口中讀取下位機上傳的數(shù)據(jù)，并返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。

圖6 下位機程序流程圖Fig. 6 Lower computer program flowchart

圖7 串口通訊程序框圖Fig. 7 Serial communication block diagram

4 在彈箭質(zhì)量質(zhì)心測量中的應(yīng)用

彈箭質(zhì)量質(zhì)心是一項重要的靜態(tài)參數(shù)，在彈箭的研制過程中需要實現(xiàn)準(zhǔn)確的測量。一般采用稱重傳感器測量出各個支點所承受的力，通過計算得出質(zhì)量和質(zhì)心。表1為三組不同質(zhì)量樣柱的實測數(shù)據(jù)，由表1可知，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于0.1‰，滿足彈箭質(zhì)量質(zhì)心高精度測量要求。

表1 測量數(shù)據(jù)Tab. 1 Measurement Data

5 結(jié) 論

該多路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分利用C8051F350片內(nèi)24位Σ-Δ型ADC，降低了成本，減少了芯片數(shù)量，使得電路板小巧、輕便，可應(yīng)用于成本低、體積小的場合。經(jīng)過調(diào)試與試驗，其采集精度和數(shù)據(jù)傳輸均達(dá)到設(shè)計要求，可滿足多路高精度數(shù)據(jù)采集的需要，并成功應(yīng)用于彈箭質(zhì)量質(zhì)心測試系統(tǒng)。

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