基于單片機實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)的應用方案

作者：劉金英，李建朝，鄭彥義，張朝亮

1．前言

在工業(yè)控制中需要對各種參量進行采集，即利用信號采集系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)采集到計算機中進行實時處理。傳感器起著中間橋梁的作用，但是它輸出的信號往往是很微弱的電流信號，需要經(jīng)過放大轉(zhuǎn)換成電壓信號后才能輸入到A/D中進行數(shù)據(jù)采集。另外，隨著測試技術的不斷發(fā)展，為了適應數(shù)字化、高效率等要求，在工業(yè)測試系統(tǒng)中單片機的應用也越來越廣泛，它具有實時及可靠性高的優(yōu)點，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。本系統(tǒng)采用美國Cygnal公司的C8051F020單片機為控制核心，組成了多通道數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)，它利用較少的外圍器件實現(xiàn)了對液壓設備的控制。

2．C8051F020單片機簡介

C8051F020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片（SOC），它使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。它采用流水線結(jié)構，與標準的8051結(jié)構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。CIP-51提供了22個中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器，因而有更高的執(zhí)行效率。具有64個I/O引腳，每個端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出。C8051F020 MCU內(nèi)部有一個SMBUS/I2C接口、兩個具有增強型波特率配置的全雙工UART和一個增強型SPI接口，每種串行總線完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。它內(nèi)部有一個12位的ADC0，該子系統(tǒng)包括一個9 通道的可編程模擬多路選擇器（AMUX0），一個可編程增益放大器（PGA0）和一個100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器；一個8位的ADC1，包括一個8 通道的可配置模擬多路開關（AMUX1），一個可編程增益放大器（PGA1）和一個500ksps、8 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。兩個12位的DAC轉(zhuǎn)換器，每個DAC 都具有靈活的輸出更新機制，允許無縫的滿度變化并支持無抖動輸出更新。C8051F020還有5個通用的16位定時器和5 個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列。

3．系統(tǒng)的硬件結(jié)構

多通道綜合采集系統(tǒng)以C8051F020單片機為核心，主要由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)的采集、LCD顯示和數(shù)據(jù)通訊三部分，其硬件框圖如圖1。傳感器輸出的電流信號經(jīng)過放大轉(zhuǎn)換后，送至C8051F020內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器中，在單片機內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理的工作，最后送到LCD顯示，同時經(jīng)過RS-485接口送至計算機，由上位機進行實時監(jiān)控。

3.1數(shù)據(jù)的采集

對于液壓設備中的8個待測參數(shù)選用相應的傳感器來來檢測，試驗時選取應變式傳感器作為測試現(xiàn)場的工具。這些選用的檢測元件輸出都是標準的4－20mA微弱的電流信號，電流信號又經(jīng)過由LM324組成的放大轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0－5V的電壓信號輸入到C8051F020的模擬輸入端，如圖2所示，經(jīng)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量。C8051F020將8路采樣值作為液壓設備現(xiàn)場的狀況存入相應的內(nèi)存單元。

3.2 LCD顯示

為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)小巧美觀，同時又獲得較高的性價比，選用德彼克公司生產(chǎn)的DMF-50174藍屏液晶顯示器，該顯示器是320×240點陣式液晶，圖形和文本都可以顯示。顯示驅(qū)動控制芯片采用EPSON 公司的一種高性能LCD 控制器SED1335。硬件電路采用間接接法，如圖3所示。用單片機的P5.0～P5.7口作為SED1335的DB0～DB7數(shù)據(jù)總線的輸入通道。P4.5作為SED1335的片選信號， 配合地址信號A0實現(xiàn)SED1335 通過數(shù)據(jù)總線接收來自單片機的指令和數(shù)據(jù)。當A 0= 0， P4.6（WR）=0，P4.7（RD）= 1時， 實現(xiàn)指令的寫入和從SED1335 中讀取數(shù)據(jù)。當A 0= 1， P4.6（WR）= 0， P4.7（RD）=1時， 則是顯示數(shù)據(jù)的寫入，該功能通過軟件實現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)通訊

單片機C8051F020的TX0、RX0及P0.2通過MAX485與上位機相連，進行串行通信，如圖3所示。P0.2控制MAX485的狀態(tài)或發(fā)送，用軟件控制。RX0為單片機的串行輸入端，接收上位機通過MAX485向單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)。TX0為單片機的串行輸出端，通過MAX485發(fā)送給上位機。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 軟件設計總體上由兩部分組成：一部分為單片機C8051F020

主程序設計，一部分為LCD液晶顯示程序設計。由于用C語言編程可以降低程序的復雜度，提高程序的可讀性和可修改性，所以本軟件采用C51進行編程，keil μVision2編譯器進行編譯。

主程序流程圖如圖4所示。

4.11 主程序

void main （void）{

long voltage; //電壓以mV為單位

int i; //循環(huán)計數(shù)器

WDTCN=0xde; //禁止看門狗定時器

WDTCN=0xad;

SYSCLK_Init（）; //初始化振蕩器

PORT_Init（）; //初始化數(shù)據(jù)交叉開關

UART0_Init（）; //初始化UART0

Timer3_Init（SYSCLK/SAMPLERATE0）; //初始化定時器3溢出作為采樣率

ADC0_Init（）; //初始化ADC

AD0EN=1; //允許ADC

EA=1; //允許所有中斷

while（1）{

for（i=0;i{EA=0;

voltage=result［ i］; //從全局變量中取得ADC值

EA=1;

voltage = voltage*VREF0;//計算電壓（mV）

voltage = voltage》》16;

LCD_Disp（）; //調(diào)顯示程序，顯示電壓值

printf（“Channl‘%d’ voltage is %ldmV\n”，i，voltage）;//串口輸出

}}

5 結(jié)束語

測試實驗中定義C8051F020的采樣頻率為50000Hz，ADC0設為定時器3溢出的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，采用差動輸入方式組成8路轉(zhuǎn)換通道，單片機運行后由定時中斷進行數(shù)據(jù)采集。

C8051F020將采集的數(shù)據(jù)通過RS-485接口傳送給上位機，在傳送期間波特率必須和PC機設置的波特率保持一致，否則不能正確接收。在測量過程中，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可以得到“準”實時的顯示。

本文作者的創(chuàng)新點就是能夠把液壓系統(tǒng)參數(shù)中的功率P實時顯示出來，而在以往的液壓顯示設備中只能分別顯示液體的壓力p和流量q，然后再用公式P=pq計算液壓功率，比較麻煩；而且C8051F020芯片集成了大量的外設和IO口資源，在設計系統(tǒng)時，只需使用少量的外圍芯片便可完成所需的功能，簡化了硬件電路設計，節(jié)省了電路板空間，縮小了產(chǎn)品的體積，因而本系統(tǒng)有很廣闊的應用前景。

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