光電檢測數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與應(yīng)用

李夢

摘? ?要：本設(shè)計主要通過制作光學(xué)檢測儀的硬件電路，測量環(huán)境可見光的光度、功率、色度等物理量，通過不同的光電傳感元件，可以實現(xiàn)對光信號各個參數(shù)實時監(jiān)測，應(yīng)用范圍極廣，尤其在光纖通信等領(lǐng)域具有重要作用。通過研發(fā)實驗，文章提出構(gòu)建一個基于光電信號檢測的信號采集平臺。

關(guān)鍵詞：光電檢測;數(shù)據(jù)采集;傳感器

1? ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和普及，許多領(lǐng)域開始廣泛使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。尤其在工農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)采集是重要組成部分，在許多工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，往往需要對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行隨時檢測。同時，在任意參數(shù)的隨機搜索和檢測，一定時期內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和提取、比較、決策，控制方案的調(diào)整和產(chǎn)品合格率的提高等方面都具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。嚴(yán)格來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是計算機控制的多通道數(shù)據(jù)自動檢測或電路檢測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、分析和計算，并能從測試數(shù)據(jù)中提取可用信息，供顯示、記錄、打印或描述系統(tǒng)使用[1]。

本設(shè)計主要是對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，主要解決如何采集數(shù)據(jù)、如何采集多通道數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到計算機。本設(shè)計最終實現(xiàn)了光電信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、采集顯示等功能。

2? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計模塊

在數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中，主控部分是單片機，其他組成模塊有信號調(diào)理電路部分、多路開關(guān)部分、采樣保持電路部分、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電平轉(zhuǎn)換接口、接收端（單片機、PC或其他設(shè)備）。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1? 信號調(diào)理電路部分

將被測對象的輸出信號轉(zhuǎn)換成計算機需要的輸入信號是信號調(diào)理電路的任務(wù)?？梢酝ㄟ^設(shè)置多通道選擇開關(guān)來降低多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道硬件開銷，同時，當(dāng)感應(yīng)到傳感器的輸出信號太小時，每個通道都應(yīng)有一個前置放大器環(huán)節(jié)，避免小信號通過模擬開關(guān)引起大的附加誤差[2]。

2.2? 數(shù)據(jù)采集電路部分

本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集電路部分選用程序控制的，其由硬件部分和軟件部分組成了程序控制數(shù)據(jù)采集。在采集過程中，根據(jù)不同要求，選擇相應(yīng)的采集程序采集存儲在程序存儲器中的各種信號。此外，為了滿足不同采樣任務(wù)的要求還可以編寫新的程序[3]。

測量通常不直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且大多數(shù)需要高級處理，例如放大、特征補償和濾波。由于被測信號的幅值相對較小，通常不能直接傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器，而且可能含有其他高頻成分。因此，其需要處理，即信號調(diào)理，如信號的增加、衰減、濾波等處理過程。在這個過程中，A/D轉(zhuǎn)換是必需的，主要包括采樣保留、量化和編碼兩個步驟。

2.2.1? 采樣—保持

采樣定理是采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，才能不損失原模擬信號的真實性，即：

fs≥2fImax

由于需要一定的時間來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以從每次采樣后直到下一次采樣開始為止，采樣電壓應(yīng)保持不變。在實踐中，采樣—保持被制成電路。

2.2.2? 量化與編碼

經(jīng)過采樣—保持電路后的模擬信號，其采樣脈沖是連續(xù)的模擬信號，不是數(shù)字信號而是瞬時值，且是連續(xù)模擬信號在給定時間內(nèi)的瞬時值。因此，把每個采樣脈沖轉(zhuǎn)換成一個與其振幅成比例的數(shù)字。

A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟就是以上兩個，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分對于光電檢測電路必不可少，對于模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換更是至關(guān)重要。

2.3? 控制器、振蕩源和復(fù)位電路

2.3.1? 控制器部分

為了接受ADC0809的數(shù)據(jù)， 使用單片機作為主控制器的核心部分，將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后采用串口模式進(jìn)行傳輸。因為控制器的系統(tǒng)功能較簡單，采樣通道選擇的完成只需要只有兩個開關(guān)的鍵盤和一個外部中斷，作為核心部分的單片機可以通過發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）數(shù)字顯示碼與接口芯片相連接，驅(qū)動顯示相應(yīng)渠道收集的數(shù)據(jù)。

2.3.2? 振蕩源部分

并聯(lián)諧振電路的形成是振蕩源內(nèi)部方式時鐘電路外接晶體以及電容C12，C13相連，而放大器的反饋回路接內(nèi)部振蕩器，從而產(chǎn)生自激振蕩。在此電路中，可以選擇2～12 MHz的晶振。因電容的容值大小會對振蕩的頻率、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，所以盡管振蕩器對外接電容的容值大小沒有嚴(yán)格要求，在外接晶體時，一般選30 pF的C12和C13;外接陶瓷諧振器時，一般選典型值為47 pF的C12和C13。

2.3.3? 復(fù)位電路部分

通過外部電路來實現(xiàn)單片機的復(fù)位。在振蕩器正常運行的情況下，不管是HMOS還是CHMOS型，RST（Reset）引腳對上述兩個機器周期以上時間的高電平都要進(jìn)行保持，此時系統(tǒng)復(fù)位。而在第二個周期中，當(dāng)RST端出現(xiàn)一個高電平時，內(nèi)部復(fù)位執(zhí)行一個，然后復(fù)位每個周期，直到RST端變低。

2.4? 鍵盤與顯示電路

鍵盤和液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）組成一個顯示電路，對系統(tǒng)發(fā)出命令和輸出顯示測量結(jié)果。鍵盤可分為兩種，一種是獨立連接式，另一種是矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤通常有以下幾個不可缺少的部分：鍵盤開關(guān)矩陣，輸出行線鎖存器，輸出列線緩沖器。首先，微控制單元（Microprogram Control Unit，MCU）先將行線第0根線置低，其余的線都置高，則此時0行為0狀態(tài)，其余行都為1狀態(tài)。隨后MCU讀取輸入緩沖器的狀態(tài)，此時確定哪條是0狀態(tài)，哪條是1狀態(tài)，若此時第1行為0狀態(tài)，則表示0鍵被按下，若第一行為0狀態(tài)，則表示1鍵被按下。以此類推，當(dāng)輸入緩沖器的狀態(tài)全部都是1狀態(tài)時，則MCU繼續(xù)讓行線1變?yōu)榈碗娖?，其余都變?yōu)楦?，再次重新讀取輸入緩沖器的狀態(tài)。從而確定哪條列線是0狀態(tài)，判斷哪條線以及哪個鍵被按下，判斷出來按鍵位置之后，就輸出相應(yīng)的按鍵結(jié)果。

當(dāng)然，要想完成控制系統(tǒng)中采集通道的選擇，還需要對系統(tǒng)鍵盤進(jìn)行設(shè)置。因為其功能要求簡單，完成選擇功能只需兩個按鍵即可，系統(tǒng)的硬件開銷就可以減少，并且在軟件處理上也變得相對簡單。

2.5? 通信電路

51單片機有一個全雙工的串行口，其可以方便單片機與PC機之間的串口通信。而且必須滿足一定的條件，才能進(jìn)行串行通信，例如對于單片機來說，其串口是TTL電平，而對于PC來說，其串口應(yīng)是RS232電平的，并且單片機的串口和PC的串口之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，一般進(jìn)行轉(zhuǎn)換使用的是專用芯片F(xiàn)T232RL，因為更簡單、可靠。

2.6? 前端模擬電路

前端模擬電路主要由光電傳感器和LM324系列運算放大器組成的運算電路構(gòu)成，光電傳感器是光電檢測儀最核心的部分之一。本設(shè)計中，光電傳感器采用光電實驗箱中的PSD測位移模塊，該器件有正負(fù)極電壓輸出，最強光時輸出電壓為0 V，最弱光時輸出電壓為3 V，可以根據(jù)該電壓范圍對后續(xù)的模擬電路進(jìn)行元件取值設(shè)計。

3? ? 軟件設(shè)計模塊

在整個電路系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，分為以PC端作為主控制器的軟件設(shè)計和以單片機終端節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計兩個部分。采用模塊化編程來實現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，其功能子程序主要有：數(shù)據(jù)采集程序、標(biāo)度變換模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)值顯示電路、發(fā)送、接收和部分中斷子程序。

采用中斷方式的是A/D轉(zhuǎn)換模式，向8051的中斷申請采用EOC信號，其流程主要是將主程序中的第一個啟動轉(zhuǎn)換信號發(fā)送給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）后，然后對計數(shù)管理轉(zhuǎn)換通道的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。接著執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在檢測到基于電纜的以太網(wǎng)連接（Ethernet Over Cable，EOC）請求后，對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行讀取，啟動下一個轉(zhuǎn)換，接著繼續(xù)執(zhí)行。在該單片機系統(tǒng)中，被測量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為范圍在0～255的二進(jìn)制碼，所以被測量的實際數(shù)值是由A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)碼X變換成的。由于監(jiān)視器不能直接接收顯示轉(zhuǎn)換后的兩個字節(jié)的實際值，因此，必須對被測量的實際值進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚▽⑵滢D(zhuǎn)換為5位的未壓縮BCD代碼），才能送顯示端輸出顯示。

鍵盤軟件的主要功能是通過增加或減少表示緩沖區(qū)的通道數(shù)的值，從而控制通道的選擇。

4? ? 結(jié)語

在不同的工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一項非常實用的技術(shù)。通過對數(shù)據(jù)采集與傳播的初步研究，建立了基于單片機的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的硬件平臺，采用8051，ADC0809、個人計算機等相關(guān)接口和相應(yīng)的軟件實現(xiàn)了8路模擬量的采集與傳輸。但是在信號采集過程中，由于被測信號通常是由傳感器提供的，信號通常較微弱，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]姚遠(yuǎn)，王賽，凌毓?jié)? TLC2543在89C51單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息化研究，2003（9）：37-38.

Abstract：This design is mainly through the production of optical detector hardware circuit， measuring the environment visible light photometric power chromaticity and other physical quantities through different photoelectric sensor elements， can achieve the real-time monitoring of optical signal parameters， the application range is very wide， especially in optical fiber communication and other fields have an important role. Through research and development experiments， a signal acquisition platform based on photoelectric signal detection is constructed in this paper.

Key words：photoelectric detection; data collection; sensor