甘旭陽(yáng)

摘要：近年來(lái)我國(guó)的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電氣的智能化水平不斷提高。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)得到業(yè)界的關(guān)注，如何通過(guò)完善多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式使其能準(zhǔn)確的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)以及可以迅速、精準(zhǔn)的輸入和輸出，成為構(gòu)建智能化電氣行業(yè)的基礎(chǔ)。該文研究從系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面提出了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，旨在為后續(xù)設(shè)計(jì)出更加高效、科學(xué)的系統(tǒng)提供可借鑒的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：多路數(shù)據(jù)；采集系統(tǒng)；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）14-0214-02

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建主要借助于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和傳輸，整個(gè)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)測(cè)量和系統(tǒng)的控制四大部分，可以說(shuō)現(xiàn)階段智能化的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是成為了電氣生產(chǎn)中不可缺失的一項(xiàng)綜合技術(shù)設(shè)備，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率更高、數(shù)據(jù)的采集更快，且所出現(xiàn)的故障更少，因此備受現(xiàn)階段設(shè)電氣行業(yè)的追捧。隨著我國(guó)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在行業(yè)中應(yīng)用的范圍越來(lái)越大，對(duì)其設(shè)計(jì)的整體要求也就有增無(wú)減，所以相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要不斷的完善自身的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際工作中找尋到其中存在的問(wèn)題，通過(guò)完善設(shè)計(jì)的方式加以糾正，使其更加適應(yīng)于現(xiàn)階段的行業(yè)應(yīng)用中，滿足于市場(chǎng)的需要。

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)備可以分為以下幾部分：

1）以ATmega8單片機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建的控制電路；

2）LCDl2864顯示電路；

3）以MAX487為基礎(chǔ)構(gòu)建的485通信電路；

4）以AT24C64為基礎(chǔ)構(gòu)建的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和鍵盤(pán)電路；

5）A/D轉(zhuǎn)換電路。

這五部分共同構(gòu)建成了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路，其具體的設(shè)計(jì)如圖1。

由圖中電路圖顯示可知ATmega16單片機(jī)是多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心，其主要負(fù)責(zé)整個(gè)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，因此其本質(zhì)上是一個(gè)八位的微處理器，且具有性能較高、功耗較低的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)是最為先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；因此整體的運(yùn)算時(shí)間大大縮小了，且可以做到讀寫(xiě)同步。ATmega16但騙子自身的驅(qū)動(dòng)能力很高，在工作室5V時(shí)其I/O口的輸出電壓可達(dá)5V，每一個(gè)I/0口的輸出電流也可以達(dá)到40mA。

由于整個(gè)系統(tǒng)的主要作用就是采集數(shù)據(jù)，所以一般需要ADC芯片的參與。但是當(dāng)我們?cè)诙嗦窋?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入ATmega16單片機(jī)之后，由于其本身就具有8路10位A/D，所以就不需要用單獨(dú)的芯片參與了，不僅節(jié)約了成本，還提高了速度。變送器和傳感器主要以電流信號(hào)為主要方式在輸出回路中強(qiáng)度在4～20mA之間隨后變成1～5V的電壓信號(hào)輸送到單片機(jī)AD中，在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中需要電阻的參與，所以在設(shè)計(jì)上需要在回路上增加一個(gè)250歐的電阻以彎沉該工作。AT-mega16自身攜帶ADC，因此只要和8通道的模擬多路復(fù)用器連接在一起就可以對(duì)端口A的所輸入的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣收集。一端的電壓輸入是以O(shè)V（GND）為基準(zhǔn)。ADC由AVCC引腳單獨(dú)的提供電源，AVCC和與VCC之間產(chǎn)生的偏差不得大于±0.3V。為了更好的減少噪音可以在在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦。

現(xiàn)場(chǎng)顯示的實(shí)現(xiàn)主要是借助于LCD12864完成的，具體來(lái)講是4位和8位相并行的一種接口方式，且2線和3線的串行也具有多種形式，同時(shí)液晶顯示器模塊是點(diǎn)陣圖形且具有國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)，顯示為中文文字方便信息讀取。其顯示的為128×64的分辨率，其中包含8000多個(gè)16平方點(diǎn)的漢字以及128個(gè)16乘以8點(diǎn)ASCII字符集。這一顯示電路的接口方式更為的簡(jiǎn)單，在其發(fā)布指令的過(guò)程中需要的指令和操作簡(jiǎn)潔明了，所以可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的直接中文的交流，更加方便與理解其顯示的含義所在，對(duì)于專(zhuān)業(yè)程度技術(shù)不高的人員來(lái)說(shuō)中文顯示器的使用提高了工作效率。在設(shè)置多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)候考慮到實(shí)用性其單片機(jī)的PD口連接LCD 12864的數(shù)據(jù)線，PC3到7口連接控制的總線，其可變電阻的RV1可以對(duì)顯示屏的亮度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。單片機(jī)的PB5到B7連接鍵盤(pán)電路，從而可以確保所輸入信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)引腳逐一接到1K的上拉電阻上，在其程序上的設(shè)置上設(shè)定為沿觸發(fā)。

多數(shù)據(jù)線路現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)的儲(chǔ)存是借助AT24C64來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其由64K位串行的CMOS E2PROM構(gòu)成的，且內(nèi)部具有8k的8位字節(jié)，數(shù)據(jù)傳送的控制由兩部分構(gòu)成，即產(chǎn)生串行的時(shí)鐘以及所有起始停止的信號(hào)相對(duì)應(yīng)的主器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主器件或者從器件都能作為接收器或者是發(fā)送器等等，但是因?yàn)橹髌骷陨砉δ茉谟诳刂茢?shù)據(jù)的傳輸，是通過(guò)A0、A1和A2等構(gòu)件的共有八種情況，換句話說(shuō)就是要借助器件的地址輸入端與多個(gè)AT24C64器件構(gòu)件連接在總線上而實(shí)現(xiàn)的，所以需要對(duì)于選擇器件上進(jìn)行合理的配置考慮。在這一設(shè)計(jì)過(guò)程中僅僅運(yùn)用了一個(gè)AT24C64，所以A0、A1和A2的連接還要接地。

為了保證對(duì)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信號(hào)的傳輸并確保主機(jī)中的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀取，本次設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)候選擇了RS485總線，這種總線自身就具有平衡發(fā)送和差分接收的特點(diǎn)，所以其抗干擾的能力更強(qiáng)，對(duì)于波特率下且距離過(guò)長(zhǎng)的傳輸具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路中，整個(gè)系統(tǒng)控制都需要由ATmega16單片機(jī)來(lái)完成，在軟件設(shè)計(jì)的單片機(jī)中選擇ATmega16第一要完成實(shí)現(xiàn)初始化的設(shè)置，特別是對(duì)于引腳寄存器、LCD12864等進(jìn)行的初始化操作。第二是依照相應(yīng)的順序通過(guò)PA口對(duì)所有數(shù)據(jù)電路上的模擬電壓進(jìn)行讀取，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，使其可以在LCD12864上進(jìn)行中文和數(shù)值的顯示，且通過(guò)AT24C64將所得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，這些數(shù)據(jù)在通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)中去。本文中所選擇的ATmega16單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換以及MAX487之間的通信傳遞，其他的模塊不多贅述。

ADC在對(duì)輸入的模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)變的時(shí)候是借助逐次逼近的手段使其轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。其中最小值用字母GND表示，最大值用字母AREF表示。借助設(shè)置AD-CSRA寄存器的形式可以實(shí)現(xiàn)ADC的啟動(dòng)。向ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位ADSC位寫(xiě)”1”運(yùn)用這種方式可以進(jìn)行單次的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。對(duì)ADCS-RB寄存器的設(shè)置中要注意ADC的觸發(fā)選擇位于ADTS上因此可以依照其選擇相應(yīng)的觸發(fā)源。在軟件系統(tǒng)的設(shè)置中所選擇的觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生一定的上跳沿的時(shí)候ADC預(yù)分頻器復(fù)位且可以進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束了之后觸發(fā)信號(hào)依舊還仍然，但是還不能自動(dòng)的啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。

圖2AD轉(zhuǎn)換時(shí)序圖MAX487有2個(gè)控制端RE和DE，1個(gè)TYL（CMOS）數(shù)據(jù)接收RO端和1個(gè)TTL（CMOS）數(shù)據(jù)發(fā)送端DI，以及1對(duì)RS485差分信號(hào)端A和B。當(dāng)TXD為高電平時(shí)，經(jīng)74HC04反向?yàn)榈碗娖?，使得RE=0且DE=0，接收器R打開(kāi)，驅(qū)動(dòng)器D關(guān)閉，此時(shí)MAX487處于數(shù)據(jù)接收允許狀態(tài)；當(dāng)TXD為低電平時(shí)，經(jīng)74HC04反向后，DE/RE為高電平，使接收器R關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器D打開(kāi)，此時(shí)MAX487處于數(shù)據(jù)發(fā)送允許狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)如圖2：

3結(jié)論

綜上所述，設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)其本身需要保證收集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅需要確保各組織之間的接線準(zhǔn)確，還需要根據(jù)多線路局收集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍選擇合適的硬件設(shè)施，并進(jìn)行合理的軟件系統(tǒng)的設(shè)置，使其具有優(yōu)越的性能才能廣泛的運(yùn)用到生產(chǎn)生活中去，本文的研究主要對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行了論述，為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完善提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。