王 棟 ， 靳 鴻

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速發(fā)展。由于機(jī)車車頂高壓設(shè)備為戶外安裝設(shè)備，要求25 kV高壓電氣設(shè)備與機(jī)車車頂有足夠的高壓絕緣性能，以防止由于雨、雪等惡劣天氣以及雷電的侵襲[1]。文中是針對(duì)機(jī)車車頂高壓設(shè)備配件是否接地的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的電壓信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是對(duì)逆變器將蓄電池直流電變換成110 V/50 Hz交流電，通過(guò)高壓電壓互感器升壓至29 kV加在車頂高壓電器設(shè)備上的過(guò)程，電壓信號(hào)采集電路將逆變電源的測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的0～5 V，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，然后送入單片機(jī)處理。單片機(jī)系統(tǒng)將完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、記錄存儲(chǔ)并顯示在顯示屏上。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體原理圖Fig.1 System overall schematic diagram

1.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控制模塊采用AT89S52芯片，是低功耗、低電壓、高性能，采用CMOS工藝8位單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部有8 kB的可在線編程的FLASH存儲(chǔ)器[2]。芯片價(jià)格低廉、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)[3]。這些使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提高靈活，超有效的解決方案。

主控芯片的P3.5管腳接A/D芯片，管腳P3.6，P3.7接EEPROM存儲(chǔ)器，管腳 P2.7是報(bào)警控制，P1.0，P1.1，P1.2接實(shí)時(shí)時(shí)鐘，管腳 P0.0-P0.7，P2.0，P2.1，P2.2是數(shù)碼管供電和顯示。管腳 P2.3，P2.4，P2.5，P2.6是按鍵信號(hào)。管腳 3.0（RXD）—P3.1（TXD），P1.5，P1.6，P1.7 是單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信信號(hào)。如圖2所示。

1.2 A/D采集模塊

A/D芯片采集選用 LM331，LM331是通用型 V/F轉(zhuǎn)換器，頻率范圍為1～100 kHz，最大非線性誤差為0.01%，最大溫漂為50 ppm/℃，電源范圍為4～40 V，輸入電壓范圍為一2.0 V～VS[4]。模擬信號(hào)經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口，有計(jì)算機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行接收、處理、儲(chǔ)存。由于壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331的壓/頻轉(zhuǎn)換關(guān)系成線性，所以我們可以根據(jù)采集到頻率數(shù)據(jù)知道模擬信號(hào)的大小，從而實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換.頻率計(jì)數(shù)器、定時(shí)器可以使用計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)?；鶞?zhǔn)頻率，數(shù)據(jù)處理也是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存到內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中[5]。如圖3所示。

圖2 AT89S52單片機(jī)硬件連接圖Fig.2 AT89S52 microcontroller hardware connection diagram

圖3 A/D轉(zhuǎn)換芯片框圖Fig.3 A/D transformation chip diagram

1.3 EEPROM存儲(chǔ)器電路

EEPROM存儲(chǔ)器電路采用24C08A，通過(guò)5腳的串行數(shù)據(jù)SDA和6腳的串行時(shí)鐘SCL將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)的P3.6、P3.7對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。原理圖如圖4所示。

圖4 EEPROM存儲(chǔ)器電路Fig.4 EEPROM memory circuit

24C08A支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，I2C總線協(xié)議規(guī)定，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器 但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過(guò)器件地址輸入端 A0、A1和A2可以實(shí)現(xiàn)將最多8個(gè)24WC01和24WC02器件 4個(gè) 242C04器件，2個(gè)24WC08器件和1個(gè)24WC16器件連接到總線上[6]。A0、A1、A2為器件地址選擇，SDA為串行數(shù)據(jù)/地址，SCL為串行時(shí)鐘，WP為寫(xiě)保護(hù)，VCC為工作電壓，GND為地。

1.4 信號(hào)顯示模塊

信息顯示模塊是時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，74HC595是具有速度快、功耗小、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以很方便的用于單片機(jī)接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)LED的操作[7]。本設(shè)計(jì)是采用兩片74HC595控制16個(gè)數(shù)碼管顯示電力機(jī)車車頂絕緣檢測(cè)裝置的時(shí)間、日期、次數(shù)和電壓。

1.5 通信接口模塊

RS232通信接口電路主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)記錄的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)[8]。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。RS232串行接口總線適用于:設(shè)備之間的通訊距離不大于15 m，傳輸速率最大為20 kB/s，當(dāng)然這兩個(gè)指標(biāo)具有相關(guān)性，適當(dāng)降低通信速度，可以提高通信距離，反之亦然。如圖5所示。

圖5 232通信接口電路圖Fig.5 Communication interface circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照實(shí)現(xiàn)功能的分類，系統(tǒng)軟件主要完成5項(xiàng)任務(wù)：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、鍵盤(pán)響應(yīng)和數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Data acquisition system program flow diagram

3 結(jié)束語(yǔ)

基于AT89S52單片機(jī)控制檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，將程序編譯生成的文件寫(xiě)入單片機(jī)，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)表明：本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比好的特點(diǎn)，很好的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的要求。

[1]許玉清，張建明，朱賀棟.電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備絕緣故障檢測(cè)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2005（2）：59-60.

XU Yu-qin，ZHANG Jian-ming，ZHU He-dong.High-voltage electric locomotive roof insulation failure detection device[J].Locomotive Electric Drive，2005（2）：59-60.

[2]譚偉娟.基于AT89S52單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2011（5）：63-64.

TAN Wei-juan.AT89S52 microcontroller-based data acquisition system[J].Computer and Information Technology，2011（5）：63-64.

[3]王旭陽(yáng)，王文哲.基于AT89S52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].研究與研發(fā)，2009 28（8）:48.

WANG Xu-yang，WANG Wen-zhe.AT89S52 microcontroller based temperature control system[J].Research and Development，2009，28（8）:48.

[4]翟彥.基于LM331和單片機(jī)的壓力數(shù)據(jù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009（3）：95-96.

ZHAI Yan.LM331 and microcontroller-based pressure data[J].Electronic Design Engineer，2009（3）：95-96.

[5]赫飛，汪玉鳳，劉雨剛，等.LM331在A/D轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2001，20（11）:116-117.

HE Fei，WANG Yu-feng，LIU Yu-gang，et al.LM331 in A/D switching circuit application[J].Micro Computer Information，2001，20（11）:116-117.

[6]陳健，鄧建春.基于AT89S52的多路多功能溫度監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)[J].電子科學(xué)，2009（22）：8.

CHEN Jian，DENG Jian-chun.Based on AT89S52 multichannel multi-purpose temperature monitor design[J].Electronic Science，2009（22）：8.

[7]黃建新.74HC595芯片驅(qū)動(dòng)LED的電路[J].科技資訊，2010（31）：116-117.

HUANG Jian-xin.74HC595 chip LED driving circuit[J].Technology News，2010（31）：116-117.

[8]唐曦文，邵芳.基于RS一232總線的測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012 34（4）：38.

TANG Xi-wen，SHAO Fang.Development of measurement and control system based on RS 1232[J].Manufacturing Automation，2012 34（4）：38.