基于C8051F350的多路高精度数据采集系统及应用

沈金鑫，夏 静

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

数据采集是将模拟信号转换为数字信号并进行存储、数据处理及显示的过程，相应的系统称为数据采集系统。其主要任务是将传感器输出的信号经过调理后送往A/D模块完成转换，然后输入计算机进行数据处理及显示或传输。在工业领域中，下位机和上位机结合组成的数据采集与控制系统日渐成为主流模式。下位机通过单片机和A/D转换器完成传感器输出信号的数据采集和简单数据处理，然后利用通讯总线将数据发送到计算机进行数据分析处理，从而实现上、下位机的优势互补。

为了满足低成本、高精度的要求，文中提出了一种基于C8051F350[1]的高精度多路数据采集系统，充分利用C8051F350的片上24位具有低噪声和高线性度的Σ-Δ型ADC，减少硬件电路的设计，提高了系统的可靠性和稳定性，并设计了RS-485通讯接口，可应用于RS-485网络及较远距离的多路数据采集与传输。

1 概 述

多路高精度数据采集系统是基于C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC和RS-485总线的弱电信号采集系统，可应用于传感器输出信号的采集、处理与传输，采用上、下位机的方式构建数据采集系统，上、下位机通过RS-485总线按照制定的通讯协议进行通信。在上位机上可以直接发出控制命令，显示和保存各种信号数值，对数据进行分析处理。下位机接收上位机的控制命令，完成数据采集并将数据传输至上位机。数据采集系统总体框图如图1所示。

图1 数据采集系统总体框图Fig. 1 Overall block diagram of the data acquisition system

2 数据采集系统硬件设计

数据采集系统硬件由信号放大电路、A/D转换及主控制器、电压基准电路、RS-485通讯接口和电源电路组成。信号放大模块对输入信号进行放大，使信号处于参考电压范围内；主控制器片内的ADC实现模拟信号的A/D转换；电压基准为A/D转换提供精准的参考电压；主控制器负责整个系统的正常运行；RS-485通讯接口与上位机进行通讯；电源模块为各个模块提供工作电压。

2.1 信号放大电路

由于传感器输出的模拟信号一般都比较微弱，需要将信号放大至A/D转换范围内，以进行传感器数据的采集。

本文设计的数据采集系统采用放大器AD623实现模拟信号的放大，通道0的信号放大电路如图2所示。

图2 信号放大电路Fig. 2 Signal amplification circuit

2.2 A/D转换及主控制器

8051F350是Silicon Laboratories公司推出的混合信号系统级芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容；机器周期由标准的12个系统时钟降为1个系统时钟周期，处理速度大大提高，峰值速度可达50 MIPS。

C8051F350单片机片上资源有24位Σ-Δ型ADC、电压基准、UART0、SPI、SMBus等。本系统利用C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC来实现模拟信号的A/D转换，使用外部高精度电压基准源作为参考电压，A/D转换及主控制器电路如图3所示。为了获得较高的转换精度和稳定性，PGA=1，并使用SINC3滤波器，ADC0调制时钟MDCLK为2.211 84 MHz，抽取比为1 728，转换速率为10 Hz。

图3 A/D转换及主控制器Fig. 3 A/D conversion and main controller

2.3 电压基准电路

电压基准为A/D转换器提供参考电压，基准电压的精度直接影响A/D转换的精度。为保证数据采集的精度，本系统选用MAX6325作为电压基准源。

MAX6325是低噪声、高精度电压基准，温度系数1.0 ppm/℃，初始精度±0.02%。电压基准电路如图4所示。

图4 电压基准电路Fig. 4 Voltage reference circuit

2.4 通讯接口

RS-485总线采用平衡驱动器和差分接收器的方式进行数据传输，具有抗共模干扰能力强，抗噪声干扰性好的特点。本系统采用RS-485总线进行上、下位机的通信和数据传输，下位机通过通讯接口[4]接受命令，完成相应的数据采集，通过通讯接口将采集数据传输至上位机。RS-485通讯接口模块如图5所示。

图5 通讯接口Fig. 5 Communication interface

2.5 电源电路

数据采集装置采用可充电锂电池或直流电源供电，电源电路给装置内各个模块的元件器提供工作电压。本系统所选用低工作电压的芯片，整个装置需要+5 V和+3.3 V电压，降低了数据采集装置的功耗，提高了可靠性和抗干扰能力，电源芯片采用LM1117DTX-5.0和LM1117DTX-3.3。

3 数据采集系统软件设计

3.1 单片机程序设计

采用Silicon Laboratories公司的集成开发环境为开发平台，使用图形化配置软件对各个模块进行配置。程序流程图如图6所示，程序包括主程序、数据采集及处理、数据传输、串口中断等部分。串口中断中对接收到的数据进行分析，如果是有效命令，则置位数据采集标志位并传递至主程序中，在主程序中完成数据采集与处理以及数据传输，完成之后清除数据采集标志位。

3.2 上位机软件设计

LabVIEW是由美国国家仪器公司(National Instruments)推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台,是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。

LabVIEW的函数库中提供了串口通讯函数, 可用来设计下位机与PC机的串口通讯。定义通讯协议如下：密码字+接收方地址+发送方地址+命令字+数据帧长+数据域+结束字，波特率：9 600，数据位：8，停止位：1，无奇偶校验。上位机与下位机串口通讯的程序框图如图7所示，首先上位机向下位机发送数据采集命令，然后等待下位机采集并上传数据，接着上位机从串口中读取下位机上传的数据，并返回主程序继续执行。

图6 下位机程序流程图Fig. 6 Lower computer program flowchart

图7 串口通讯程序框图Fig. 7 Serial communication block diagram

4 在弹箭质量质心测量中的应用

弹箭质量质心是一项重要的静态参数，在弹箭的研制过程中需要实现准确的测量。一般采用称重传感器测量出各个支点所承受的力，通过计算得出质量和质心。表1为三组不同质量样柱的实测数据，由表1可知，系统测量精度优于0.1‰，满足弹箭质量质心高精度测量要求。

表1 测量数据Tab. 1 Measurement Data

5 结 论

该多路高精度数据采集系统，充分利用C8051F350片内24位Σ-Δ型ADC，降低了成本，减少了芯片数量，使得电路板小巧、轻便，可应用于成本低、体积小的场合。经过调试与试验，其采集精度和数据传输均达到设计要求，可满足多路高精度数据采集的需要，并成功应用于弹箭质量质心测试系统。

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