数据采集系统的设计-计算机控制技术课程设计

数据采集系统的设计1设计目的和要求分析设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。要求：选择合适的芯片；设计原理电路（包含译码电路）；编制数据采集的程序段；编制数据通信程序段；本次任务是设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：模拟量采集电路、开光量采集电路、单片机与PC机的串口通讯电路及程序设计部分。下面分别做详细的介绍。2模拟量采集电路设计摸拟量的采集要用到A/D转换芯片，而且要求精度为10位，这里选择TLC1543A/D转换器。同时TLC1543有11路模拟通道输入满足采集10路模拟量的要求。TLC1543是一种低功耗、低电压的10位开关电容逐次逼近模数转换器，最大非线性误差小于1LSB，TLC1543A/D转换芯片有三个输入端和一个3态输出端片选CS、输入/输出时钟（I/OCLOCK）地址输入（ADDRESS）和数据输出DATAOUT，这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。除了高速的转换器和通用的控制能力外，这些器件有一个片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样-保持是自动的。在转换结束时,“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。TLC1543详细资料如下：TLC1543引脚如下图1所示：图1TLC1543引脚图（2）TLC1543工作时序图如下图所示：图2TLC1543工作时序图（3）TLC1543A/D芯片的数据读取程序A/D芯片的数据读取程序是根据TLC1543的工作时序来进行设计的。TLC1543工作时序如图2所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATAOUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/OCLOCK、ADDRESS使能，DATAOUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，I/OCLOCK端输入时钟时序，CPU从DATAOUT端接收前一次A/D转换结果。I/OCLOCK从CPU接受10个时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/OCLOCK的下降沿，而采样一直持续6个I/OCLOCK周期，并一直保持到第10个I/OCLOCK的下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATAOUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/OCLOCK的工作过程。CS的上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATAOUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端。TLC1543数据采集子程序流程图如图3所示。该程序通过CPU通道地址的写操作，发出A/D转换启动脉冲，启动以后CPU查询A/D转换是否结束，一旦结束CPU通过对通道地址的读操作读取数值，值得注意的是在TLC1543启动后，从A/D转换时序可知EOC约在启动脉冲之后300ns才变为高电平。开始开始设置通道地址把通道地址输入1543发AD转换启动脉冲A/D转换取AD值返回AD值图3TLC1543数据采集子程序流程图（4）模拟量通过TLC1543AD转换芯片与Atmega16单片机的接口电路TLC1543的三个控制输入端/CS、I/OCLK、ADDRESS和一个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与单片机的I/O口直接连接。将放大后的模拟电压通过TLC1543与单片机的接口电路输出数字信号。其接口电路如图4所示。图4TLC1543AD转换芯片与Atmega16单片机的接口电路图3开关量采集电路设计系统要求实时采集20路开关量，由于单片机I/O接口有限，故采用两片74LS165芯片16路并行输入转换成串行输入，剩余的4路开关量直接由单片机I/O进行采样。74LS165芯片介绍如下：（1）74LS165引脚如下图5所示：图574LS165引脚图（2）74LS165引脚功能表如表1所示：表174LS165引脚功能表74LS165芯片是8位并行输入串行输出移位寄存器,其中A~H就是8位并行数据的输入端。Qh和/Qh是串行数据的输出端，SER是串行数据的输入端，CLK是时钟端，SH/LD是移位和锁存并行数据端。（3）74LS165时序功能图如图6所示：图674LS165时序功能图（4）开关量通过74LS165芯片与Atmega16单片机的接口电路开关量输入信号如下图所示：图7开关量输入信号图当开关闭合时，经过非门作用开关量输入高电平“1”；当开关断开时，经过非门作用开关量输入低电平“0”；20路开关量采集电路图如下所示，16路开关量通过74LS165芯片将并行输入转换成串行输入（PC0和PC1进行16路开关量采样），剩余的4路开关量直接由单片机I/O（PB0~PB3）进行采样。图8开关量接口电路4单片机与PC机的串口通讯电路设计MAX487接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为120uA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。其引脚结构图如图9所示。图9MAX487引脚图从图9中可以看出,MAX487芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的PD0/RXD和PD1/TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态。因为MAX487工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时只需要一个信号控制MAX487的接收和发送即可。单片机实现与PC机之间的通讯时，必须使用电平转换接口芯片，因为单片机输出的是TTL电平，必须经过电平转换才能和PC机的一致。本文中采用的是RS－485协议，所以单片机需要采用RS－485接口；而在PC机侧使用的是RS－232与RS－485的电平转换接口。单片机与PC机的串口通讯电路如下图所示： 图10单片机与PC机的串口通讯电路RS485网络和普通的RS232网络从程序上来讲，维一的区别是就是有方向控制。数据发送时芯片需要工作在输出方式，这样数据才能被有效发出。不发送数据时一定要把RS485芯片设置为输入状态，否则会影响网络上其它设备。硬件连接如上图，程序如下：/*串口初始化函数*/voiduart_init(void){UCSRA=0x02;/*倍速*/UCSRB=0x18;/*允许接收和发送*/UCSRC=0x06;/*8位数据*/UBRRH=0x00;UBRRL=12;/*9600*/DDRD=DDRA|BIT(2);/*设置方向为输出*/PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*设置RS485为输入状态*/}/*数据发送，查询方式*/voiduart_transmit(unsignedchari){PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*设置RS485为输入状态*/UDR=i;/*发送数据*/while(!(UCSRA&(1<<TXC)));/*等待发送缓冲器为空*/UCSRA|=(1<<TXC);/*清除发送标志*/PORTD&=~PORTA|BIT(2)/*设置RS485为输入状态*/}/*数据接收，查询方式*/unsignedcharuart_receive(void){while(!(UCSRA&(1<<RXC)));/*等待接收数据*/returnUDR;/*获取并返回数据*/}5程序设计及说明（1）模拟量采集程序设计系统要采集10路模拟量(10位精度)，单片机与TLC1543接口如下：引脚PA0连接TLC1543的SDO口接收转换后的数据传入，引脚PA1连接TLC1543的ADDR口用来选择通道数，引脚PA2连接TLC1543的_CS用来控制片选，引脚PA3连接TLC1543的CLK以控制时序。如下图所示：图11TLC1543与Atmega16引脚接口图A/D芯片的数据读取程序是根据TLC1543的工作时序来进行设计的。TLC1543工作时序如图2所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。读CLK有10个周期，前4个周期进行采样通道号的选择，后6个周期进行模拟量的采集，采集子程序是通过CPU通道地址的写操作，发出A/D转换启动脉冲，启动以后单片机查询A/D转换是否结束，一旦结束CPU通过对通道地址的读操作读取数值。10路模拟量采集程序流程图如下：过程入口过程入口通道和计数器初值送通道号，启动A/D读状态EOC转换结束否读结果，存入寄存器修改通道号和计数器10通道完否NYN返回Y图12模拟量采集程序流程图（2）开关量采集程序设计20路开关量采集电路如图8所示，16路开关量通过74LS165芯片将并行输入转换成串行输入（PC0和PC1进行16路开关量采样），剩余的4路开关量直接由单片机I/O（PB0~PB3）进行采样。20路开关量采集程序流程图如下：开始开始初始化I/O接口读取PC0、PC1及PB0~PB3数据数据存储数据串行输出结束图13开关量采集程序流程图（3）上位机程序设计本文中采用的是RS－485协议，所以单片机需要采用RS－485接口；而在PC机侧使用的是RS－232与RS－485的电平转换接口。此次可以采用单片机内部的USART,因此实现串口通讯十分容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，串口通讯采用中断机制。上位机程序负责对数据进行收集和处理，由于是下位机是被动传输，和下位机传输是遵循一定的通讯协议，协议已经在下位机中进行了定义。当上位机发送一个控制字0x78给下位机时，下位机将会返回所有的数据采集量。上位机流程图如下：ccom端初始化通过com口发送标志读取字0x78单片机将数据发送给上位机读取数据，显示并处理结束图14上位机流程图(3)上位机主程序：#include<dos.h>#include<conio.h>#include<stdio.h>voidInit_COM(intComPortAddr,unsignedcharIntVectNum，imBaud，unsignedcharData，unsignedcharStop，unsignedcharParity)//串口初始化intReceiveChar(intport)//接收字符main(){inti;chara[500];voidInit_COM(03F8H,0X0b,9600,8,1,0);//定义串口端口地址为COM1口，中断处理号为0X0b,波特率为9600，数据位为8，停止位为1，奇偶校验位为0for(i=0;i<500;i++)a[i]=ReceiveChar();//每隔一秒接收一个字节}6设计小结与体会这次计算机控制课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。通过这次计算机课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了RS-485通信原理。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。回顾起此次计算机控制课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。7参考文献[1]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2005[2]于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，1999[3]姚四改Protel99SE电子线路设计教程.上海交通大学出版社，2003[4]朱定华编著.《微机原理、汇编与接口技术学习指导》清华大学出版社，2004[5]侯玉宝.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.电子工业出版社，2008附录程序代码(1)10路模拟量采集程序如下：//TLC1543端口定义#defineTLC1543_SDOPA0//数据输入#defineTLC1543_ADDRPA1//数据输出#defineTLC1543_/CSPA2//使能端#defineTLC1543_CLKPA3//时钟端//read1543()返回10位AD芯片TLC1543的port通道采样值。uintread1543(ucharport)//从TLC1543读取采样值,形参port是采样的通道号{uintdataad;uintdatai;uchardataal=0,ah=0;CLK=0;for(i=0;i<4;i++)//把通道号打入1543{ADDR=(bit)(port&0x80);CLK=1;CLK=0;port<<=1;}for(i=0;i<6;i++)//填充6个CLK{CLK=1;CLK=0;}/CS=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_CS=0;//等待AD转换_nop_();_nop_();_nop_();for(i=0;i<2;i++)//取D9,D8{D_OUT=1;CLK=1;Ah<<=1;if(D_OUT)ah|=0x01;CLK=0;}for(i=0;i<8;i++)//取D7--D0{D_OUT=1;CLK=1;al<<=1;if(D_OUT)al|=0x01;CLK=0;}/CS=1;ad=(uint)ah;ad<<=8;ad|=(uint)al;//得到AD值return(ad);}(2)开关量数据采集程序#defineSINPUT_PORTPORTA#defineSINPUT_DDRDDRA#defineSINPUT_PINPINA#defineDIG_PLPD6//PL脚#defineDIG_CLKPD5//时钟脚#defineDIG_CE1PB1//片选#defineDIG_OUT1PC0//串行输出#defineDIG_OUT2PC1//串行输出#defineS_PL()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_PL)//置1#defineC_PL()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_PL)//置0#defineS_CLK()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CLK)//置1#defineC_CLK()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CLK)//置0#defineS_CE1()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE1)//置1#defineC_CE1()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE1)//置0#defineS_CE2()CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE2)//置1#defineC_CE2()CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE2)//置0#defineDB_INPUT1(SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT1))//数据输入电平#defineDB_INPUT2(SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT2))voidInitDigCap(void)//初始化开关量采集{CONTROL_DDR|=BIT(DIG_PL)+BIT(DIG_CLK)+BIT(DIG_CE1)+BIT(DIG_CE2);//置为输出 SINPUT_DDR&=~(BIT(DIG_OUT1)+BIT(DIG_OUT2)+);//置为输入 S_PL(); S_CE1(); S_CE2();}voidLockData(void)//锁定数据将数据全部锁入到寄存器中{ S_PL();//高电平 Delay_Bus(1);//延时一个总线周期 C_PL();//低电平 Delay_Bus(1);//延时一个总线周期 S_PL();//高电平完成锁存}voidGetAllDigCap(void)//获取所有通道的开关量{ unsignedchari,temp=0; LockData();//锁定所有数据 C_CLK(); Delay_Bus(1); S_CLK(); //读取第一片里的数据 C_CE1();//使能片1 for(i=0;i<8;i++) { C_CLK(); Delay_Bus(1); S_CLK();//上升沿脉冲 Delay_Bus(1); if(DB_INPU