王明艷，李 瑞，王丹鳳，裴向東，李瑋娜，魏海潮

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051;

2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中的數(shù)據(jù)采集與處理是將現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流、壓力、流量、溫度、角度等模擬信號(hào)和一些開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再根據(jù)不同的需要對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得到所需的數(shù)據(jù)，然后將這些計(jì)算結(jié)果反饋給用戶或被控系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制的目的。完成這個(gè)功能的系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)［1］。

數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率、A/D轉(zhuǎn)換速度等因素有關(guān)，采集精度主要與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)［3］。本系統(tǒng)就是一種以單片機(jī)為控制器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和發(fā)送并顯示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)一般需要完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存取及發(fā)送等任務(wù)。CS5532進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AT89S52控制A/D轉(zhuǎn)換并將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)［5］。這樣，在高速的數(shù)據(jù)采集時(shí)，就避免了微機(jī)系統(tǒng)操作時(shí)速的限制，大大地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率。從而滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高速控制要求。

1 多路采樣系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

多路數(shù)據(jù)采集對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件性能要求很高。本文使用高速串行接口A/D芯片（CS5532）與單片機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)和24位串行芯片A/D（CS5532）構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集的精度能達(dá)到24位、同時(shí)串行A/D與單片機(jī)之間采用SPI接口，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路A/D，信號(hào)增益可以達(dá)到32位，出口速率可以達(dá)到400字/秒，能形成多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本采集系統(tǒng)的硬件電路由主控部分（單片AT89S52）、模數(shù)部分（A/D芯片CS5532）、顯示部分（八段數(shù)碼管）3個(gè)部分組成。各部分之間相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 多路采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)是以單片機(jī)AT89S52作為主控芯片［3］，控制整個(gè)電路的運(yùn)行。為了能使單片機(jī)正常工作須在其外圍加復(fù)位電路。即:采用穩(wěn)定的硬件復(fù)位方式。本系統(tǒng)采用看門狗X5045作為復(fù)位電路的主要芯片用來控制復(fù)位的完成。采用X5045有以下優(yōu)點(diǎn):（1）上電可以自動(dòng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。（2）當(dāng)單片機(jī)的電壓降到一定時(shí)X5045的復(fù)位引腳會(huì)給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位。（3）當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)X5045會(huì)給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)恢復(fù)正常。控制硬件電路原理圖如圖2所示。

AT89S52具有系統(tǒng)可編程功能，可以很方便地改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片中從工作環(huán)境中剝離，把AT89S ISP下載口接入電路，可用電路實(shí)現(xiàn)該功能［2］。為了滿足系統(tǒng)對(duì)波特率的要求AT89S52需要接入一個(gè)22.1184MHz晶振，用來調(diào)整時(shí)鐘。

MAX232是一種常用的通信芯片。MAX232與單片機(jī)AT89S52的接口是由2條線來完成的，P3.1與MAX232的10腳相連作為發(fā)送的數(shù)據(jù)線。

CS5532是一種高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片，最高可得到分辨率是24位的輸出結(jié)果。CS5532的差動(dòng)輸入端可以直接測(cè)量來自傳感器的毫伏信號(hào)，簡(jiǎn)化了與外圍電路的連接［4］?？删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊?shù)從1～32進(jìn)行設(shè)定（以2倍步長(zhǎng)增加），大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。多級(jí)程控?cái)?shù)字濾波器使得數(shù)據(jù)輸出速率可選擇。范圍為7.5 Hz～3.84 kHz，方便了與外設(shè)的連接。由于它的寬動(dòng)態(tài)特性、可編程輸出速率、靈活的供電方式及簡(jiǎn)便的三線串行輸出模式，使得該A/D轉(zhuǎn)換器極易和單片機(jī)接口。在使用CS5532時(shí)須在其外圍接一個(gè)參考電壓和一個(gè)晶振電路。CS5532的差動(dòng)輸入端可以直接測(cè)量來自傳感器的毫伏信號(hào)，簡(jiǎn)化了與外圍電路的連接［6］。其電路圖如圖3所示。

八段數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽極相連接的發(fā)光二極管組成;另一種是共陰數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陰極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。本文選用8個(gè)共陰八段數(shù)碼管LED用來顯示A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

圖2 AT89S52控制電路

圖3 CS5532的電路圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中單片機(jī)AT89S52是對(duì)整個(gè)過程的控制和協(xié)調(diào)作用。使各部分能夠有序的運(yùn)行完成數(shù)據(jù)采集、顯示以及與工控機(jī)進(jìn)行通訊的功能。軟件總的流程圖如圖4所示:

圖4 軟件總流程圖

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的的調(diào)試

本系統(tǒng)基于AT89S52兼容單片機(jī)為核心，其具有良好的性能價(jià)格比，用它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，用CS5532進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過AT89S52控制A/D轉(zhuǎn)換并將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采集測(cè)量，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低，外接元件少。

調(diào)試結(jié)果如圖5所示:

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試出來的顯示

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)采用單片機(jī)（AT89S52）與24位A/D芯片（CS5532）構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了四路模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)化完的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示，同時(shí)可以通過串行口發(fā)送給上位機(jī)（工控機(jī)或PC機(jī)），實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的后期存儲(chǔ)與分析?；就瓿刹杉到y(tǒng)的各項(xiàng)功能。但是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)不是很穩(wěn)定，可能由于硬件的濾波電路做的不夠精細(xì)。還有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

［1］暢福善，蘇世棟.VHDL語言與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.太原:山西科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［2］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］潘琢金.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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［5］朱承學(xué).C語言程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，2004:13-190.

［6］胡向東，劉京誠(chéng)，余成波.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.