基于PROTEUS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

渠麗巖

（天津理工大學(xué) 中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

PROTEUS軟件是LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，它集成了高級原理圖設(shè)計、混合模式SPICE電路仿真及PCB設(shè)計[1]，最具特色的是它能夠仿真基于單片機的電子系統(tǒng)。PROTEUS不但支持MCS-51及其派生系列單片機的設(shè)計與仿真，還可以仿真基于AVR、ARM和PIC系列的嵌入式系統(tǒng)。

PROTEUS軟件可提供各類元器庫30多個，超過27 000多種元器件。此外，對于元件庫中沒有的器件，用戶可以依照需要自己創(chuàng)建。在軟件調(diào)試方面，其內(nèi)部帶有8051、AVR、PIC的匯編編譯器，支持單片機匯編語言的編輯、編譯和源代碼級仿真，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進(jìn)行高級語言的源代碼級仿真和調(diào)試。PROTUES不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化，這是實物演示難以達(dá)到的效果[2]。

在計算機廣泛應(yīng)用的今天，日益突顯數(shù)據(jù)采集的重要性，它是計算機與外部世界連接的橋梁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是將傳感器采集來的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號，并通過接口電路送給處理器，然后再進(jìn)行分析、傳輸、顯示和存儲等處理。

數(shù)據(jù)采集裝置在工業(yè)現(xiàn)場和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一裝置可以對生產(chǎn)現(xiàn)場的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)控和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增加生產(chǎn)效率提供信息和手段；在科學(xué)研究中，數(shù)據(jù)采集裝置可獲得大量的動態(tài)信息，是各種研究領(lǐng)域的有力工具，也是破解科學(xué)奧秘的重要手段之一[3]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.1 硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)的核心部分電路采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。AT89C51單片機是一款低電壓、高性能的CMOS型8位微處理器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機完全兼容。

AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)FLASH閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個 I/O口線，2個 16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作，直到下一個硬件復(fù)位。AT89S51為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活高效且價廉的方案，因此在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[4]。

本系統(tǒng)核心部分電路可與傳感器配合實現(xiàn)對電壓、電流、溫度、濕度、壓力等多種信號的采集與處理，可以處理8路信號；若需要采集的信號較多時，可配合使用可編程并行輸入/輸出接口芯片。采集處理后的信號可送往顯示器顯示并存儲。圖1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of data acquisition system

1.2 軟件設(shè)計方案

這里主要介紹A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計。本系統(tǒng)的ACD采用的是ADC0808。ADC0808是采樣分辨率為8位的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，選通8路模擬輸入信號中的任意一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機進(jìn)行處理。它作為簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在多點巡回檢測、過程控制和運動控制中應(yīng)用十分廣泛。

使用ADC0808時，首先通過單片機的P3.4～P3.6引腳設(shè)置 ADDC、ADDB、ADDA，從而選擇轉(zhuǎn)換通道；然后通過 P3.2鎖存地址信號，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換[5]。

ADC0808內(nèi)部沒有時鐘電路，PROTEUS軟件為系統(tǒng)仿真提供了各種形式的時鐘信號，本系統(tǒng)中ADC0808的時鐘信號頻率為500 kHz，其設(shè)置如圖2所示。單片機可以通過查詢或中斷的方式等待A/D轉(zhuǎn)換完畢，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存在ADDR寄存器中。

圖2 ADC0808的時鐘信號設(shè)置Fig.2 ADC0808 clock signal settings

進(jìn)行多通道AD轉(zhuǎn)換時，首先切換到通道0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；然后切換到通道1進(jìn)行轉(zhuǎn)換，操作過程與通道0相同；依次切換轉(zhuǎn)換通道，完成所有通道的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換程序的流程如圖3所示。

2 基于PROTEUS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的仿真

在PROTEU軟件上仿真基于單片機的電子系統(tǒng)，實質(zhì)是構(gòu)建基于PROTEUS和Keil的AT89S51虛擬實驗平臺。

Keil C51是51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)，可以編輯、編譯匯編語言和C語言編寫的單片機程序。Keil C51軟件提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，它生成的后綴為“.hex”的文件，即可以直接下載到硬件設(shè)備上運行，也可以添加到PROTEU軟件環(huán)境中進(jìn)行仿真[6]。

基于PROTEU軟件的仿真過程如下：

1）在Keil C51中編寫源程序，并調(diào)試、編譯源程序，生成后綴為“.hex”的文件；

2）在PROTEUS軟件中設(shè)計電路原理圖，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；將“.hex”文件導(dǎo)入AT89C51芯片；

3）在PROTEUS軟件中運行，觀察仿真結(jié)果，并檢驗是否與設(shè)計要求一致。

圖4所示是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的仿真結(jié)果。圖中只畫出了一路數(shù)據(jù)采集通道，使用的是溫度傳感器，調(diào)節(jié)溫度傳感器的滑動觸頭，可以觀測到所采集數(shù)據(jù)的變化情況。本圖中選擇通道IN0采集的信號進(jìn)行演示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Fig.3 A/D conversion process flow diagram

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)在單極性參考電壓0～5 V范圍內(nèi)，運行穩(wěn)定可靠，采樣精度高；調(diào)節(jié)滑動觸頭，可觀測到輸出信號的變化情況。對于參考電壓 5 V，輸出值在0～255之間，其對應(yīng)于0～99℃之間的溫度值。本系統(tǒng)能滿足多數(shù)測控系統(tǒng)的要求，因此基于PROTEUS和Keil C51的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計是切實可行的。本系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換和顯示任務(wù)，通過簡單的擴展還可以實現(xiàn)串口通信、鍵盤監(jiān)測等任務(wù)的仿真與調(diào)試。采用虛擬實驗的方式，不僅能夠降低開發(fā)成本，而且可以提高開發(fā)效率、提升開發(fā)速度，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of the data acquisition system

[1]周潤景，張麗娜，丁莉.基于PROTEUS的電路及單片機設(shè)計與仿真[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2]董普松.Proteus在單片機系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（14）：153-154．DONG Pu-song.Applicaion ofProteusin singlechip computer system design[J].Modern Electronic Technology，2008（14）:153-154.

[3]周鴻雁．ADuC845單片機和PTR2000的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（2）：57-60．ZHOU Hong-yan.Wireless data acquistion system based on ADuC845 and PTR2000[J].Microcontroller&Embedded Systems，2012（2）:57-60.

[4]胡漢才．單片機原理及其接口技術(shù)[M]．3版．北京：清華大學(xué)出版社．

[5]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)——數(shù)字部分[M]．4版．北京：高等教育出版社．

[6]李莉．基于Proteus的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真設(shè)計[J]．電力學(xué)報，2009，24（3）：206-207．LI Li.Simulation design of data acquisition system based on proteus[J].Journal of Electric Power，2009，24（3）:206-207.