常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 陳江燁

華北石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 喬悅峰

中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心 高 巖

華北油田公司采油四廠 張 裔

華北油田公司采油工藝研究院 高振濤

1.引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。AVR系列單片機(jī)一直以功能強(qiáng)、可靠性高、速度快和功耗低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用；MCP3302是一種多通道輸入、低功耗、帶有SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器。用AVR單片機(jī)和MCP3302組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功用于生產(chǎn)實(shí)際，完成對(duì)兩路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，取得了較好的效果。

2.總體設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是為監(jiān)測(cè)壓力和溫度兩個(gè)參數(shù)而設(shè)計(jì)的，總體設(shè)計(jì)框圖見圖1。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選型

單片機(jī)是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，選用了AVR單片機(jī)ATmega 16，ATmega 16是Atmel公司生產(chǎn)的8位嵌入式單片機(jī)，它是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。特點(diǎn)為：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，1個(gè)可編程串行USART，1個(gè)SPI串行端口等，硬件資源非常豐富。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3302

MCP3302是一種13位差分輸入、低功耗、帶有SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器。有以下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ鳎ぷ麟妷悍秶鷮?，可?.7～5.5V電壓間工作；功耗低，激活工作電流僅為450μA，而維持電流小于1μA；工作方式靈活，單端輸入工作方式和差分輸入工作方式可通過命令設(shè)置，其中差分輸入工作方式能有效抑制輸入端共模干擾的影響；與微處理器可以采用SPI接口總線通訊，為微處理器節(jié)約口線，同時(shí)，也使數(shù)據(jù)采集更加方便；幾乎無外圍器件，從而減少了由于外圍器件而引入的干擾和誤差，提高了可靠性；

（1）MCP3302引腳功能

CH0-CH3：模擬信號(hào)輸入端

NC：保留未用端子

DGND：數(shù)字地

CS/SHDN：片選/關(guān)閉輸入

DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端

CLK：串行時(shí)鐘

AGND：模擬地

VREF：參考電壓輸入

VDD：電源電壓

（2）MCP3302的簡(jiǎn)要操作過程

微處理器對(duì)MCP3302的操作控制按照MCP3302工作時(shí)序進(jìn)行，MCP3302的工作時(shí)序見圖3。

表1 MCP3302控制命令

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 MCP3302引腳圖

圖3 MCP3302工作時(shí)序

當(dāng)輸入完4位命令數(shù)據(jù)后，MCP3302將開放選通通道開始對(duì)其電壓值進(jìn)行采樣，采樣周期在從起始位算起的第5個(gè)時(shí)鐘的下降沿結(jié)束。在下一個(gè)時(shí)鐘的下降沿在DOUT上將輸出一個(gè)無效的“0”，緊接著下一個(gè)時(shí)鐘的下降沿DOUT將依次輸出轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其順序是由最高位到最低位（B11~B0）共12位數(shù)據(jù)，這樣便完成了一次A/D轉(zhuǎn)換周期。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

4.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

4.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序流程圖見圖4。

在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，為了降低功耗，充分利用單片機(jī)的低功耗工作方式，在數(shù)據(jù)采集開始前、兩組采集的間隔、采集結(jié)束后都使單片機(jī)進(jìn)入低功耗工作方式。

4.2 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)軟件的功能是首先與單片機(jī)配合，把存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)回放出來；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，把兩個(gè)參數(shù)的變化情況保存成數(shù)據(jù)文件，也可以繪制成曲線，以便查詢數(shù)據(jù)或分析判斷。用VB6.0編寫，主要使用了MScomm控件。

5.結(jié)束語(yǔ)

使用AVR單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3302開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過各種試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。因MCP3302有四通道輸入，故可用于各種兩路差分信號(hào)或四路單端輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。