基于STC90C58串行数据采集系统设计

2011-03-15

电子世界 2011年8期

（江苏省如皋职业教育中心校，江苏如皋 226500）

1.引言

计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。在冶金、化工、医学和电气性能测试等许多应用场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和输出打印等处理[1]。模拟系统存在对大动态信号处理线性差，因而存在精度低、信号不可记录等缺点。在数字电子技术领域中，由于使用了包括模数转换器件在内的数字器件，因而在精度、简化电路结构、灵活、方便等方面取得了很大的进步[2]。传统获取现场数据的方法，效率低、误差大，难以输入计算机。而数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。它为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，并能方便地输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。

2.系统总体设计

工业上使用的数据采集与处理系统大致分为以下五种：1）基于通用微型计算机（如PC机）的数据采集与处理系统，这种系统可以利用微机系统强大的软件计算能力和丰富的硬件资源来支持系统进行工作，同时也方便对系统进行二次开发。但系统的成本较高。2）基于单片机的数据采集与处理系统，由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集与处理系统，是近几十年来单片机技术快速发展的结果。它的计算能力相对较弱，但价格很便宜。系统开发时可根据应用的需求选择合适的单片机，由于直接对硬件进行操作，所以能充分利用单片机的资源，具有很高的性价比。不过系统成型之后，二次开发和扩展性会受到部分限制。3）基于DSP的数据采集与处理系统，数字信号处理器（DSP）是数字信号处理理论与超大规模集成电路（VLSI）技术融合的结晶。DSP与单片机相比，DSP多采用时钟倍频做主频，CPU采用哈佛结构，支持流水线操作，在运行速度上有很大程度的提高，具有高效的数字信号处理功能。因此在需要高速数据采集和处理的场合，基于DSP的数据采集与处理系统现今得到了大量应用。4）基于专用处理器的数据采集与处理系统，这种系统集成度高，功能强大，但一般价格较高。它们是专为特定的应用而设计的，一般来说系统的可扩展性不强。5）混合式的数据采集与处理系统，这种系统一般为上下位机结构。下位机一般由单片机及外围器件构成，它主要运行在工业现场，将采集来的数据处理之后通过标准总线（如RS-232，RS-485，CAN等）传送给上位机进行数据处理、分析和存储，它也可以接收来自上位机的指令去执行控制操作。

2.1 系统硬件设计

从以上对数据采集系统分类可知，对于以单片机为核心的系统，由于混合式的系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。扩展性强，只要具有统一的总线接口，上、下位机就可以有多种组合方式。同时上位机有微机、单片机系统构成，可以对下位机进行管理或对下位机发来的数据进行计算，通过总线发出控制指令或计算结果送还下位机。基于如上考虑，本系统设计的工作就是设计一个以单片机STC90C58为核心处理器、STC90C58内部自带的八路十位A/D转换、串口通信、高精度信号调理电路构成的串行数据采集传输系统，使它能充分利用上位机对下位机具有良好的事务管理能力，并可应用于通用数据采集处理系统。图1为下位机硬件方框图。

图1 硬件方框图

由图1可知本系统共分为6大部分组成：

a.传感器：将被测量转换成电信号。

b.信号调理电路：将传过来的测量信号进行适当放大或衰减，转换成A/D转换能识别的信号幅度，且增益能够受单片机控制，实现单片机量程选择。

c.AD转换：将模拟量测量数据进行数字化，能够让单片机进行处理和向上位机PC机传输。

d.单片机控制电路：能根据上位机发送的命令对AD转换电路做出控制处理。

e.RS232：TTL电平与PC机串行数据电平互转。

f.报警显示：主要负责对A/D状态显示，及能够根据设定值自动报警显示。

系统功能设计：

根据实际需要，决定设计8通道的数据采集器，8个通道可以单独采集不同的物理量，也可以采集相同的物理量。选择哪几个通道进行采集是由用户决定的，用户可以任意选择不同的通道进行采集。每个通道可以独立的设定输入量程（输入量程是与增益一一对应的）。

由于传感器的规格千奇百态，感应出的信号的强弱也不一，所以必须设计信号调理电路，且设计时就应该考虑到能够适应多种传感器要求，即信号调理电路应具有增益调节功能。

2.2 系统软件设计

2.2.1 下位机软件

该数据采集系统的下位机软件主要负责实现单片机控制功能实现，接收上位机指令、A/D转换、报警与运行状态显示、通道选择、增益控制、硬件看门狗、发送采集数据给上位PC机等功能。

下位机软件流程如图2所示。

图2 软件流程图

本系统通信采用串行中断方式，图3为串行中断流程图。

图3 串行通信中断流程图

2.2.2 上位机软件

该数据采集系统上位PC机主要完成通道控制、采集控制、人机界面、数据存储、波形显示、数据分析、打印等功能。上位机利用Visual Basic 6.0编程。用VB6.0开发串行通信程序有两种方法，一种是利用Windows的API函数；另一种采用VB6.0的通信控件MSComm。本系统采用MSComm事件驱动方式进行串口通信设计，设计了上位机通信界面，设置命令按钮，如接收、设置、存储、浏览数据；设置信息窗口，用于输入需从下位机读取的记录个数和用于显示下位机发送来的数据等；进行数据通信的单片机和串行通信口的选择通过两组单选按钮完成。在接收命令按钮的Click事件中，将通信指令通过串行口发送给下位机。界面如图4所示。