楊瑞帆，郭曉鵬，崔順

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院 西安 710065）

0 引言

數(shù)據(jù)采集是獲取信息的重要途徑。通常一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把現(xiàn)場傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并完成數(shù)據(jù)處理、傳輸、顯示、存儲等操作。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要使用大量的外圍芯片，這需要主處理器控制、鏈接好各模塊以保證各通道的暢通，不但需要較多的片選信號，而且模塊測試所占用的I/O端口資源也較多，這樣不但使系統(tǒng)設(shè)計體積較為龐大，而且開發(fā)成本高、設(shè)計效率也低。本文設(shè)計了一個基于C8051F330D單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，C8051F330D單片機除了具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)功能部件，將其運用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去實現(xiàn)對多個物理量的分時采集，可以較好地解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足。

1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。傳感器的作用是把電量或非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量（電壓、電流或頻率等）。傳感器輸出的信號較弱，本設(shè)計系統(tǒng)中選用C8051F330D單片機內(nèi)部自帶的傳感器，其分辨率約為2.34毫伏，需要將采集到的信號加以放大，這樣在保證測量精度的同時也滿足A/D轉(zhuǎn)換器的量程在0～2.4V。傳感器和電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲，這種噪聲可以用濾波器來衰減掉，以提高模擬輸入信號的信噪比。多路模擬開關(guān)用于選擇采集哪路信號，相連的是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。采樣/保持器輸出的信號送至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將測量數(shù)據(jù)送單片機進行分析處理，單片機執(zhí)行相應(yīng)控制操作，將測量結(jié)果存于存儲器中[1-3]。

圖1 采集系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

如圖2所示，本系統(tǒng)以采集外部兩路信號溫度、壓力為例，選用C8051F330D單片機通用I/O中的P0.4、P0.5端口分別輸入兩路模擬信號并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，P0.0作為電壓基準(zhǔn)端口。采集到的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)核處理后變?yōu)槎未a，送到段碼驅(qū)動器驅(qū)動LED實現(xiàn)顯示[4-6]。

需要注意的是：C8051F330D單片機模擬輸入端口的工作電壓都在3.3V左右；同時單片機的數(shù)據(jù)、時鐘兩輸出端口被配置為漏極開路方式，都需要上拉電阻到5V電源，以保證輸出的正常。譯碼器也需要接到5V電源上。

圖2 采集系統(tǒng)硬件原理框圖

根據(jù)硬件原理框圖設(shè)計出的采集系統(tǒng)電路主要由電源部分、控制部分、顯示部分、按鍵部分組成，各部分緊密連接，形成一套完善的測壓、測溫系統(tǒng)。

2.1 電源電路設(shè)計

圖3 電源電路

C8051F330D的工作電壓范圍在2.7V～3.6V之間。作為供電裝置，LM1117可以將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V電壓輸出，滿足C8051F330D的工作電壓要求。需要注意的是：電路的外接電源選5V，這樣在經(jīng)過LM1117轉(zhuǎn)換后的3.3V電壓適用于C8051F330D，同時5V電壓滿足顯示電路中的74LS164移位寄存器以及單片機輸出上拉的要求。

2.2 主控制芯片

控制任務(wù)由C8051F330D[7-8]單片機完成，采用串行通信接口SPI通信，C8051F330使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，除了具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)功能部件，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。設(shè)計中使用C8051F330D的內(nèi)部ADC模塊完成數(shù)據(jù)采集、量化、編碼，使用內(nèi)核模塊完成數(shù)字信息的處理。

2.3 顯示電路

顯示電路如圖4所示。它包括74LS164移位寄存器和LED數(shù)碼顯示管兩部分。74LS164移位寄存器接收從C8051F330D內(nèi)核轉(zhuǎn)換出的4字節(jié)段碼，當(dāng)單片機發(fā)出傳輸結(jié)束的信號后，4個移位寄存器將送出的4個字節(jié)串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為8位并行數(shù)據(jù)分別送往各自連接的LED數(shù)碼管，采用靜態(tài)顯示的方式，驅(qū)動4位LED實現(xiàn)顯示。

圖4 顯示電路

2.4 按鍵電路設(shè)計

按鍵電路如圖5所示。

圖5 按鍵電路

按下開關(guān)S1時單片機復(fù)位；按下開關(guān)S2時采集片內(nèi)溫度傳感器的值；按下S3時，采集單片機的P0.5端口到GND之間的電壓值;按下S4 時，采集與P0.4端口到GND之間的電壓值。編寫程序時，可以先進行復(fù)位，然后判斷哪路開關(guān)按下，在第一路開關(guān)沒按下時就跳到下一路開關(guān)處再進行判斷，這樣一直循環(huán)下去，直到判斷有開關(guān)按下后，便對這個開關(guān)對應(yīng)的一路開始模擬數(shù)據(jù)的采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對C8051F330單片機的軟件開發(fā)，用匯編語言開發(fā)實現(xiàn)。編譯工具選擇keil 編譯器。主程序流程框圖如圖6所示，主要分3大模塊：程序初始化、采集轉(zhuǎn)換和顯示。根據(jù)選用的器件及C8051F330D單片機配置先完成程序的初始化，其主要內(nèi)容是對數(shù)據(jù)采集中所涉及的寄存器的使能；第二大模塊是對模擬數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，當(dāng)判斷P1.1、P1.2、P1.3中的一個按下時，便進入這一過程；第三模塊是數(shù)據(jù)的顯示，由于兩路電壓顯示原理相似，所以可以調(diào)用同一顯示程序。調(diào)用顯示程序，又可以完成溫度的顯示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

實驗中分別采集了兩端口的溫度、壓力兩物理量，由此轉(zhuǎn)化的模擬值（電壓）數(shù)據(jù)表1和表2所示。

表1 采集電路端口1的實驗結(jié)果

表2 采集電路端口2的實驗結(jié)果

由表1、表2可以看出，實驗所得相對誤差最小為0.27%，最大為-1.60%，準(zhǔn)確度較高。分析原因，一方面是由于C8051F330片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換精度高，另一方面是由于編程中用到浮點數(shù)運算程序，大大降低了計算上的誤差。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于C8051F330D單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選用C8051F330D單片機是由于它具備集成度高、作穩(wěn)定可靠、成本低廉、通用性強等特點。該數(shù)據(jù)采集模塊采用多路參數(shù)采集方式，外接各種傳感器后可應(yīng)用于多種工況中的數(shù)據(jù)采集，如對油田油井壓力、溫度采集，對抽油機的運行、電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測等等，可為故障診斷提供可靠、全面的參數(shù)依據(jù)，從而保證各系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行。

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