基于单片机的多通道数据采集器的设计

1、本科学生毕业设计 基于单片机的多通道数据采集器的设计 系部名称： 电子工程系 专业班级： 电气工程及其自动化 B04-37 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二八年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Multi-channel Data Acquisition System Based on MCU Candidate: Zhang Zhaopeng Specialty: Electrical Engineering and Automation Class: B0

2、4-37 Supervisor: Lecturer Shang Jin Heilongjiang Institute of Technology 2008-06Harbin 摘 要 数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越 多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系 统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测试环境要求较高等 问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。 本文在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与 PC 机通信技术的基础上，设 计了单片机控制的采集系统，并通过串口通信实现单片机与 PC 机

3、之间的通信，实现 将数据传送到 PC 机上，完成了单机的多通道数据采集系统的设计。 基于单片机的多通道数据采集系统是将来自传感器的信号通过放大、线性化、滤 波、同步采样保持等处理后，输入 A/D 转换器转换为数字信号后由单片机采集，然 后利用 RS-232 串口通信将数据送到 PC 机进行数据的存储、后期处理与显示，实现 了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点，可广泛应 用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。 关键词：多通道；数据采集；单片机；通信；串行接口 ABSTRACT The application rage of data acquisi

4、tion system is becoming wide increasingly, the types of measurement signal and signal source are also more and more, Surveyors also require much higher measure requirements. Domestic now have a lot of date acquisition and measure systems, but there are many systems involving these issues: single fun

5、ction, less collection access, low collection rate, high demands of collection test environment and so on. So people require a broad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system. Based on the analysis of the characteristics of different types of SCM and communication t

6、echnology between SCM and PC, this paper designs collection system based on SCM, completes communication between SCM and PC by serial communication .then the paper finishes multi-channel acquisition system based on SCM by communicating data to PC. Multi-channel acquisition system based on SCM can pr

7、ocess signal from sensor by amplification, liner filtering. After processing maintain synchronous sampling, which converted to digital signal input A/D conversion by SCM Acquisition, Then, sending the data to PC by RS-232. The data can be stored, processed and displayed. So a wide range of features

8、can be widely used in industrial control equipment, instruments, and electrical engineering integration, intelligent home and many other fields. Key words: Multi-Channel; Data acquisition; MCU; Communication; Serial interface 目 录 摘要.I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 数据采集与处理的发展趋势.

9、2 1.2.2 国内外数据采集器的应用现状.3 1.3 课题研究的主要内容.4 第 2 章 单片机的多通道采集技术.5 2.1 单片机技术.5 2.2 数据采集技术.7 2.3 通信技术.8 2.4 方案论证.10 2.4.1 模数转换器的方案选择.10 2.4.2 通信方式的方案选择.11 2.4.3 最终系统设计框架.11 2.5 本章小节.12 第 3 章 硬件部分设计.13 3.1 单片机的选型.13 3.2 12 位双积分 A/D 转换器 ICL7109.15 3.3 高精度运算放大器 AD OP-07.18 3.4 译码器 74HC154.18 3.5 电源电路设计.20 3.6

10、看门狗电路及接口设计.21 3.7 本章小结.22 第 4 章 软件部分设计.23 4.1 初始化程序.23 4.2 A/D 转换子程序.24 4.3 串口通信程序.24 4.4 抗干扰设计.25 4.4.1 硬件抗干扰设计.25 4.4.2 软件抗干扰措施.25 4.5 本章小结.28 结束语.29 参考文献.30 致谢.31 附录 A.32 附录 B.33 第 1 章 绪 论 1.1 引言 在现实中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机 和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算 机可以识别、存储的信号（称为数字信号） ，这一过程即是

11、数据采集。数据采集技术 是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科 技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。数字技术促进了 上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求。一个大型 的数据采集系统由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、 数据处理、数据分析和数据显示等1。 随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统 在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了所谓的数字化测量技术。数字化测 量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进 行信号调理和

12、A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具 体来说，就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。 作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用；目前，传感器正不断朝 着多功能性和智能性方向发展。 在当今网络化时代，以Internet为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了前 所未有的突破和成功，网络化测量、采集和（对网中仪器设备的）控制技术正随着网 络技术的发展而迅速发展冈。网络化、分布式的数据采集优势体现在： 采集范围扩大，处理能力增强，信息索取更加方便，并且能够适应场合变更的需 要。凭借这些优良的性能，网络化测量和控制己经成为数据采集技

13、术发展的必然趋势。 传感器技术、计算机技术和网络技术的长足发展以及由此所产生的测量需求成为 数据采集技术发展的不竭动力，并对数据采集技术提出了更新、更高的要求：测量的 方法、可测量的种类和范围应不断拓宽和更新，准确度要提高，可靠性要增强，并能 够适应各种不同的实验环境需要。 简而言之，数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术，网络化测量、 采集和控制是其发展的必然趋势。 国内现在有不少数据测量和采集的系统。这些数据测量和采集系统的研制成功解 决了部分用户需要，但是也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、 操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。本文在研究单片机技术、单片机数据

14、采 集及单片机通信技术的基础上，设计并实现了基于单片机的多通道数据采集系统，该 系统具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛应用于工业控制、 仪器，仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 数据采集与处理的发展趋势 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数 字信号，并送到计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物 理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理 量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下， 应有尽可能高的采样速度，以满足实

15、时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 当计算机技术应用到各个领域中并取得不俗表现后，测量技术又经历了一场全面 数字化的变革。传统的数据采集过程包括了：测、处、管、控四个部分，应用了计算 机技术之后，这四个环节的工作在时间和空间上的界限就不再那么明显了，换句话说 当数据采集电路通过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算机接口传入计算机中 利用软件来完成对大量测量数据的处理，而这一切，都因为计算机在数字信号处理方 面无可比拟的优势而能够瞬间完成，数据采集硬件和软件的集成也就产生了数据采集 系统的概念。 作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面的影响，比如：测量技术、 传感器技术、软件技

16、术、网络技术以及在实践中不断提出的新要求，这些因素都将在 很大程度上影响数据采集系统的发展。 测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性及准 确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要 作用。在 21 世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量技术的发展产 生深刻的影响。 现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求，具体表现在： 1、随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采 用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装置没有完善 的检测手段是不可能适应要求的。 2、从当前世界自动化技

17、术的发展趋势看，现代控制技术趋于全程化。即在生产 （或制造）过程的全部时间领域内实现在线控制和管理。这意味着过程控制系统将提 供工厂设备在其生产周期内的完整数据，以保证对每日的操作运行的优化。 3、现代控制技术应用人工智能技术（模糊逻辑，人工神经网、专家系统、模式 识别、遗传算法和小波分析）对生产过程参数进行测量，以提高控制精度，保证品质。 4、传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，除了复杂生产 过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用已经扩展到企业产品 的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化，如现代物流、供需链管理、电 子商务等。 可见，现代控制技术对

18、计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展 以及它所产生的测量需求已成为测量技术发展的不竭动力，正不断地促进和推动着计 量测试技术的发展2。 1.2.2 国内外数据采集器的应用现状 1、国外数据采集器的现状 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外 数据采集技术己经有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的 发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的应用 特点还反映在如下几个方面: （1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常 用的时域分析和频域 FIT 分析，而且还可以做倒谱、细化、包

19、络谱和时频域分析等功 能； （2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。如法国迈威公司的 MOVIL-OG 数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以 做六个平面的动平衡； （3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各 种监测范围需要； （4）可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动 加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数 监测系统； （5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软件 可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器； （6）数据采集器已经安装

20、了 LCD 背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高 度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环 境。 2、国内数据采集器的现状 上世纪 80 年代末到 90 年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其 中单通道的有 SP201，SC247 型，双通道的有 EG3300，YE5938 型，超小型的有 911，902 和 921 型。具有采集静态信号的有 SMC-9012 型。所配套的软件包基本上 包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和 故障诊断，基本己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目 前国外数

21、据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在： （1）由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些高速的 机器或轴承的诊断等带来了一定的困难； （2）由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现 场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱； （3）设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断 专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端， 测试精度、速度与实现该功能的成本是数据采集三个重要因素，数据采集也正朝着这 几个方向发展.高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗

22、设备、快速生产过 程（如石油化工过程）和变电站自动化等领域都有非常重要的应用例，这些行业中， 对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的 发展和新产品的出现，因此，数据采集仍然会有长足的发展。 1.3 课题研究的主要内容 本论文研究的是具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛 应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域的基于单片机的多 通道信号采集系统。在硬件结构上，它主要由单片机（MCU） 、A/D 转换器、与 PC 机联接的通信电路、PC 机等。在软件结构上，它主要由多路信号采集，PC 机与单片 机通讯，数据实时动态显示，数据

23、处理及保存等程序。 本论文主要对基于单片机的多通道数据采集系统的结构及功能进行分析，并设计 与实现基于单片机的多通道信号采集系统，完成并进行性能分析。 本次设计需要完成以下工作：研究基于单片机的多通道数据采集系统的设计及实 现。该工作是在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与 PC 机通信技术的基础上， 设计了单片机控制的采集系统，并通过基于 RS-232 总线的串口通信实现单片机与 PC 机之间的通信，实现数据的传送并将数据在 PC 机上显示及存储。并给出了该系统硬 件、软件实现的方法及分析。 第 2 章 单片机的多通道采集技术 数据采集电路通过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算机接口传

24、入计算机 中利用软件来完成对大量测量数据的处理，数据采集系统的发展将受到测量技术、传 感器技术、软件技术、网络技术等因素的影响，数据采集系统的核心元件是单片机， 关键的技术是数据采集及计算机通信技术3。 2.1 单片机技术 在信号采集系统中，单片机主要担当控制 ADC，并对采集到的数据传输到上位 机的角色，同时若上位机反馈信息、指令，单片机收到指令后还需对外围设备进行相 关的控制。单片机己广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪 表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率 低，可靠性高，成本低廉。下面介绍几种常见单片机的特点： 1、MCS51 单

25、片机 MCS51 系列单片机开始是 Intel 公司在 20 世纪 80 年代初研制出来的，但现在以 MCS51 技术核心为主导的单片机己成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以 此为基核，推出许多与 MCS51 有极好兼容性的 CHMOS 单片机，同时增加了一些新 的功能。例如 ATMEL 公司推出的 AT89S51 单片机，PHILIS 公司系列单片机，华邦 （WINBOND） ，Silicon 公司出品的 C8051Fxxx 单片机。以现在常用的 AT89C51 为 例:AT89C51 是一种低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4Kbytes 的可系统编 程的 Flash 只

26、读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 系列指令系统及引脚。它集 FLASH 程序存储器既可在线编程也可用传统方 法进行编程，片内置通用 8 位微处理器和 FLASH 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域4。 2、PIC 单片机 由美国 Microchip 公司推出的 PIC 单片机系列产品，首先采用了 RISG 结构的嵌 入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流 LCD 驱动能力和低价位 OTP 技 术等都体现出单片机产业的新趋势。在全球都可以看到 PIC 单片机从电脑的外设、家 电控

27、制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的 PIC 单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。 PIC8 位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是 PIC 系列单片机 在结构上与其它单片机不同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级 指令流水结构。这种结构与一般采用 CLSC（复杂指令集计算机）的单片机在结构上 是有不同的。 PIC 的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器 I/O 接口、定时器和程序寄存器 等都是采用了 RAM 结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其 它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。

28、上述各项，就是 PIC 系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因。 3、AVR 单片机 AVR 单片机是 ATMEL 公司 1997 年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。 ATMEL 公司通过 AVR 把 RISC 技术带到了 8 位单片机世界，这种全新的结构带来了 很多优势。该系列的程序存贮器是在片内的 Flash 存贮器，可以反复修改上千次、这 对新产品开发，产品升级都是很方便的。单片机的指令基本上都是单个晶振周期的， 能够到 1MIPS/MHz 的性能。该系列单片机针对应用 C 语言编程做了优化。这一系列 单片机好的多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式有利于降

29、低系统功耗。再 加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D 输入，PWM 输出等功能，它也可以称 为“零外设”的单片机，具有片上系统（SOC，system on chip）的雏形。因此 AVR 单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越性能。AVR 单片机家族已经发展成为一 个很全的系列：包括 TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、DVD AVR、RF AVR、SECURE AVR、FPGA AVR 等类别。Tiny AVR 系列的典型芯片如 Tiny11、Tiny12、Tiny13 等等，这一类型的单片机的特点是很好的把价格、性能和灵 活性结合在一起，典型的应用包括

30、锂电池充电器、冰箱控制和门禁系统等等。AVR mega 系列的典型芯片如 Atmega8，Atmegal6 等等，这一类型的单片机的特点是带有 具有自编程能力的程序存储器，可以通过 SPI、USART、和二线制接口（IC）编程， 适合于需要远程编程和现场升级的应用领域；同时该类型单片机具有很全的外围设备 适合于多种应用。同时还有一些增加了面向特殊应用具有特殊功能的单片机。这些单 片机都是在相同的 AVR 的基础上加上了面向应用的特殊功能，LCD AVR 加上了 LCD 驱动器比如 Atmega169 能够驱动 425 段的 LCD。USB AVR 单片机例如： AT43USB351M 集成了

31、USB 的物理层和数据链路层的硬件协议，同时由 AVR 核通过 编程实现传输层的实现。DVD AVR 例如：AT78C1501 内部通过 AVR 核实现内部数 据通道核缓存的控制。RF AVR 例如：AT86F401 在 AYR 核的控制下实现开关键控 的无线射频数据传输。SECURE AVR 例如：AT90SC19264RC 是带有 AVR 核的实现 IS07816 协议的用于智能卡的单片机。FPGA AVR 例如：AT94K05A 则内部集成有 FPGA。这些类型构成了 AVR 系列单片机的庞大家族，使 AVR 在相应应用领域发挥 独特性能。尽管 AVR 系列单片机型号繁多，功能各异，但是

32、所有 AVR 单片机都有 相同的存储器结构和指令集，因此各系列 AVR 单片机之间的代码移植是很方便的。 不同系列单片机都会分别具有配置不同的 SRAM，EEPROM，外部 SRAM 的接口， AD 转换器，硬件乘法器，UART，USART 等等外围设备。 目前单片机的发展速度较快，单片机的型号繁多，要根据设计不同系统的功能要 求、性能指标及价格等选择型号，一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用 RISC 型单片机：控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用 CISC 单片机。 2.2 数据采集技术 目前数据采集系统已广泛地应用到测量、监洲、控制、诊断、科学试验等各个领 域中。近

33、二十年来，数据采集技术得到了飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试 仪器到现在的使用微机的虚拟仪器；采集的分辨率从 4 位、8 位到现在的 24 位分辨 率；采集的速率从几 KPS 到现在最高速率己达 2GPS，记录设备从原来的手记、纸带 的模拟或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录、磁光盘记录。 对于数据采集系统中使用哪种技术取决于对下列因素的权衡： 1、分辨率。由于精密元件成本高，所以随着分辨率的提高，A/D 转换器的价格 也会急剧上升。8 位分辨率的模拟多路器的每通道价格几乎相当于一个转换器的价格。 分辨率高于 12 位时，情况则相反，模拟多路切换趋于更加经济。 2、通道数。通道数决定所

34、用多路器的大小、连线数量以及内部连接。在许多情 况下，把数字多路器连到共用数据总线上，可使连线数量降到最低。模拟多路切换适 用于 8-256 个通道;超过这个数目，此技术就难以应用，模拟误差也很难减小。在大 系统中，模拟和数字多路切换技术常结合在一起应用5。 3、检测速度或吞吐量。高速 A/D 转换器会使系统造价大幅度上升。如果模拟多 路器要求高速转换器以达到所要求的采样速率，那么，每一通道配置一个低速转换器， 并进行数字多路切换就会便宜些。 4、信号电平及调理。对模拟多路切换而言，要使诸通道间具有宽广的动态范围 是很困难的。低于 iv 的信号，一般要求价格昂贵的、差分低电平模拟多路切换，而

35、且在 MUX（多路器）操作之后，还要有可编程增益放大器。另一种方法可能更有效， 这就是：每个通道用一个放大倍数固定的运算放大器，并针对该通道的要求设计信号 调理，同时采用数字多路切换。 5、检测点的物理位置。鉴于模拟信号存在衰减、传输线反射以及干扰等问题， 模拟量多路切换适合于距转换器几百英尺以内的检侧。依据信号电平、传输距离以及 环境噪声，传输线可从双绞线到多芯屏蔽电缆。如果有合适的传输设备，在几千英里 范围之内，均可进行数字切换操作，因为数字传输系统能提供长距离传输所要求的功 能强大的抑制噪音特性。 2.3 通信技术 通信是信息的处理、传输与交换过程，也就是信息的交流。我们通常把信息的发

36、生者称为信源，信息的接收者称为信宿，传播信息的媒介称为载体，信源和信宿之间 的信息传输的途径与设备称为信道。通信技术是研究如何将信源产生的信息，通过传 输媒介，高效、安全、迅速、准确地传送到受信者的技术。通常，根据传输介质的不 同，通信技术可分为有线通信技术和无线通信技术两大类：根据传输信号类型的不同， 通信技术可分为模拟通信技术和数字通信技术。 计算机通信按接口来分可分为并行通信方式和串行通信方式。 1、并行通信方式 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据 位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接 收到这些数据，不需要做任何变

37、换就可直接使用。并行方式主要用于近题离通信。计 算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单， 缺点是所需连接线多，远距离通信时成本高。 2、串行通信方式 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计 算机内的发送设备，将几位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传 输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供 接收方使用6。串行传输类型生要有以下几种： （1）RS-232 串行通信接口 目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义 为一种在低速率串行通讯

38、中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式， 即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，典型的 RS-232 信号在正负 电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+I5V，负电平在-5- 15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3+12V 与-3- 12V。由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差， 再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15m，最高速率为 20kb/s，RS-232 是为点对点

39、（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 37k。所以 RS-232 适合本地设备之间的通信。计算机上的串行通信端口 RS-232 是标配，虽然与 现在的一些新出的标准相比，RS-232 通信数据低，传输距离短，但由于其控制相对 简单，设计成本低，在许多工控设备、电子测量仪器上都备有 RS-232 通信端口侧。 一般的计算机将 COM1 以 9Pin 的接头接出。 （2）RS-422 串行通信接口 如果在工业环境杂讯干扰较强，用 RS-232 作为传输就会容易收到干扰，使信号 发生错误。为此常改用 RS-422 传输方式。RS-422 的信号将被传送出去时会先分成正 负的两条线路，

40、当到达接收端后，再将信号相减还原回原来的信号。这样可有效防止 杂讯的干扰，传输距离和速度也得到提高。 RS-422 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使 用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V，是另一个逻辑状 态。另有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一“使能”端，而在 RS-422 中这是可用可 不用的。 “使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起 作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态” ，即它是有别于逻辑“1”与

41、 “0”的第三态。 RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性” ，它定义了接口电路的 特性。典型的 RS-422 是四线接口。实际上还有一根信号地线，共 5 根线。其 DB9 连 接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS-232 更强的驱动能力， 故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主设备 （Master） ，其余为从设备（Salve） ，从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多 的双向通信。接收器输入阻抗为 4k，最大负载能力是 104k+100（终接电阻） 。RS- 422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因

42、此不必控制数据方向，各装置之间 任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/OFF 握手）或硬件方式（一对单独的 双绞线）实现7。 RS-422 的最大传输距离为 1219m，最大传输速率为 l0Mb/s。其平衡双绞线的长 度与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短 的距离下才能获得最高速率传输。一般 100m 长的双绞线上所能获得的最大传输速率 仅为 1Mb/s。 （3）RS-485 串行通信接口 由于 RS-485 是从 RS-422 基础上发展而来的，所以 RS-485 许多电气规定与 RS- 422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上

43、接终接电阻等。RS-485 可以采 用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与 RS- 422 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备， 但它比 RS-422 有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到 32 个设备。RS- 485 与 RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之间， 而 RS-422 在-7V 至+7V 之间；RS-485 满足所有 RS-422 的规范，所以 RS-485 的驱动 器可以用在 RS-422 网络中应用。RS-485 与 RS-422 一样，其最大

44、传输距离约为 1219m，最大传输速率为 10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率 传输。一般 100m 长双绞线最大传输速率仅为 1Mb/s。 在 MCU 之间中长距离通信的诸多方案中、RS-485 因硬件设计简单、控制方便、 成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动报测等领域， 但 RS-485 总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面存在缺陷、一些细节的处理不当 常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障、因此提高 RS-485 总线的运行可靠性至关重 要。 （4）USB 通

45、用串行通信接口 USB 通用串行总线接口是现在比较流行的接口，它最大的好处在于能支持多达 127 个外设，外设可以独立供电，也可以通过 USB 接口从主板上获得 500mA+5V 的电流并且支持热拔插，真正做到即插即用。 USB 的带宽容量可容纳多种不同的数据流，因此可连接大量的设备，并且 USB 支持在同一时刻的不同设备具有不同比特率，而且可动态变化。 USB 接口有着功能强大、传输速度高、连接外设数量多，可向外设提供电源等 特点，其应用越来越广，但是 USB 接口的上位机（即 PC 机）程序的开发有着开发 难度大、涉及知识面广、开发周期长等特点，同时在下位机（即单片机）硬件设计时 必须选用

46、带有 USB 接口的单片机或扩展专门的 USB 接口芯片，这必然会给下位机的 软硬件系统设计增加难度并提高了软硬件成本。所以，USB 接口通常用于对传输速 度要求高、传输功能复杂、或需上位机提供电源的外设和装置上。 2.4 方案论证 2.4.1 模数转换器的方案选择 A/D 转换器的种类很多，就位数来分，有 8 位，10 位，12 位和 16 位等。位数越 高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D 转换器的型号很多，在精度和转换速度上差异 很大。常用的有双积分式 A/D 转换器和逐次逼近式 A/D 转换器等。 1、双积分 A/D 转换器 双积分式是一种间接式 A/D 转换器，优点是转换精度高，速度

47、快；缺点是转换 时间长，一般要 4050ms，适用于转换速度不快的场合。 2、逐次逼近式 A/D 转换器 逐次逼近式的属于直接式 A/D 转换器，转换精度高，速度高，但价格较贵，是 目前种类最多，应用最广的 A/D 转换器。 由于目前逐次比较式的高速 12 位 A/D 转换器一般价格都很高，而且本设计应用 在要求速度不太高的场合，所以采用廉价的双积分式高精度 A/D 转换器 ICL7109。ICL7109 是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式 12 位 A/D 转换器。它的最大的特点是其数据输出为 12 位二进制数，并配有较强的接口功能， 能方便的与各种微处理器相连。 2.4.2

48、通信方式的方案选择 微机 PC 和单片机数据采集器之间的数据交换，通信的类型主要有串行和并行两 种传输方式。并行传输由于数据线间相互干扰明显，传输距离不能很远，故在此设计 主要考虑串行传输方式，串行传输类型主要 RS-232 总线方式、RS-422 总线方式、 RS-485 总线方式、USB 总线方式、IEEE-1394 总线方式等。由于本设计对采集的模 拟信号速率低，且对周围的环境要求不严格，从设计的简单实用，利于维护，并考虑 成本方面的因数，对以上几种传输方式，优选 RS-232 方式。 2.4.3 最终系统设计框架 单片机数据采集电路的功能是对多路模拟信号的采集与预处理部分，包括单片机

49、电路、A/D 变换器电路、信号处理电路等，选择何种技术要根据设计的电路的应用范 围决定，本文设计的数据采集系统是一个应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、 智能家居等领域的通用型数据采集系统，确定该系统采集分辨率为 8-12 位、通道数 为 8 路、检测速度为几十 KPS、信号电平为小于或等于 5V、检测距离小于或等于 10m。由工作原理和实际的应用出发，系统如图 2.1 所示。系统由以下几部分组成： CPU（单片机） 、选通逻辑模块、A/D 转换器 ICL7109、电源模块、通信模块等。 ICL7109 选通 逻辑 OP07 信号 处理 AT89C52 通信模块 电源监控 看门狗 电 路

50、电源模块 8路模 拟量输入 图 2.1整体系统设计框架 2.5 本章小节 本章研究了单片机技术、数据采集技术及计算机通信技术等方面进行研究。 分别分析了常用的 MCS51 单片机、PIC 单片机及 AVR 单片机的特点及应用范围。 研究数据采集技术中分辨率、通道数、检测速度、信号电平及检测点等因素对设 计的数据采集系统的影响，由这几个因素决定了该数据采集系统使用的技术。 分别对计算机的通信技术的并行接口及串行接口的方式及特点进行研究，重点分 析了应用较广的通用串口总线 RS-232、RS-422、RS-458、USB 等的特点及应用范围。 并对本设计的主要部分做出了选择论证，确定了最终的系统设

51、计框架。 第 3 章 硬件部分设计 3.1 单片机的选型 由于本系统的采样比较多，储存需要较大的 RAM，而且为了减小系统的接线和 体积在此采用 AT89C52 单片机为 CPU 模块的核心。 1、AT89C52 整体介绍 AT89C52 单片机是 MCS51 兼容型单片机。它无论在片内 RAM 容量、I/O 口 的系统扩展能力、指令系统和 CPU 的处理功能等方面都比早期的单片机强，有 8K 闪存作程序存储器，256 字节片内数据存储器和 3 个 16 位定时/计数器，因此无需再 扩展外部存储器，并且可将 4 个并行口全部作为输入/输出接口使用。CPU 模块主要 依靠 AT89C52 单片机

52、强大的 I/O 口读写功能通过地址线和数据线实现对其他各模块 工作的管理。要使 AT89C52 工作必须有晶振电路8。系统中单片机及其晶振电路如 图 3.1 所示。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1.0/T 1 P1.1/T 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23

53、P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U10 AT89C52 C11 30pF XT1 11.0592M C10 30pF RESET VCC 图 3.1单片机及其晶振电路图 2、AT89C52 的功能引脚 VCC：电源电压。 GND：地。 P0：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也是地址/数据总线复用口。作为 输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1” 时，可作为高阻抗输入端用；在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时

54、转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻；在 Flash 编程 时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉 电阻。 P1：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地 址。P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2

55、）和输入 （P1.1/T2EX） 。 P2：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1” ，通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流；在访问外部程序存储器或 16 位地址的外 部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在 访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口输出 P2 锁存 器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦

56、接收高位地址和一些控制信号。 P3：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉 电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流；P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3.1 所示。 表 3.1P3 口第二功能 端口引脚第二功能 P3.0RXD 串行输入口 P3.1TXD 串行输出口 P3.2INTO 外中断0 P3.3INT1 外中断1 P3.4T0 定时/计数器0 P3.5T1 定时/计数器1 P3.6

57、WR 外部数据存储器写选通 P3.7RD 外部数据存储器读选通 此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个及其周期以上高电平将使 单片机复位。 ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）PROG 输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频 率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的 是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 PESN：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部 程序存

58、储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。 /VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部数据存储器（地址EA 0000HFFFFH）, 端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内EA 部会锁存端状态。如果端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。EAEA XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.2 12 位双积分 A/D 转换器 ICL7109 ICL7109 是美国 Intersil 公司生产的一种

59、高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的 双积分式 12 位 A/D 转换器。由于目前逐次比较式的高速 12 位 A/D 转换器一般价格 都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时， 可以采用廉价的双积分式高精度 A/D 转换器 ICL7109。ICL7109 最大的特点是其数据 输出为 12 位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。 1、ICL7109 的功能引脚 ICL7109 为 40 引脚双列直插式封装，各引脚功能如下： GND：数字地，0V。 STATUS：状态输出，ICL7109 转换结束时，该引脚发出转换结束信号。 POL：极性输出，

60、高电平表示 ICL7109 的输出信号为正。 OR：过程量状态输出，高电平表示过程量。 B1B12：三态转换结果输出，B12 为最高位，B1 为最低位。 TEST：此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫 所有位 B1B12 输出为高电平。 LBEN：低电平使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为低电平时，此信号将作为低 位字节（B1B8）输出选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为低位字节输 出。 HBEN：高字节使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为高电平时，此信号将作为高 位字节（B8B12）以及 POL，OR 输出的辅助选通信号；当 MODE