岳 洋，焦運(yùn)良，邢計(jì)元

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

智能數(shù)據(jù)采集是將被采集對(duì)象的特征量通過(guò)相應(yīng)的傳感器做適當(dāng)變換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理等步驟，最終送到處理器中去進(jìn)行處理的一個(gè)過(guò)程。它是計(jì)算機(jī)在檢測(cè)、管理和控制的過(guò)程中取得原始數(shù)據(jù)的主要手段[1]。雖然市面上有很多關(guān)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成熟的解決方案，但是往往價(jià)格很高，而且在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，又會(huì)遇到不同的使用環(huán)境。所以低功耗、便攜化和高性能的要求是必需的。單片機(jī)具有良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境和成熟的外圍電路資源，它對(duì)數(shù)字電路和模擬電路都有很好的處理能力。所以課題使用單片機(jī)作為主控芯片，發(fā)揮其低功耗的特點(diǎn)，并且適合在多種測(cè)量環(huán)境下使用。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理部分以及顯示部分組成。電壓電流等模擬量由A/D將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后顯示采集結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

信號(hào)輸入部分包括傳感器采集輸出的電壓、電流以及八路開(kāi)關(guān)量。信號(hào)調(diào)理部分主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其在A/D的輸入范圍之內(nèi)。A/D模塊主要是對(duì)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，其中A/D的工作電壓范圍和位數(shù)決定了采樣的精度。傳輸通道是把A/D轉(zhuǎn)化輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理部分是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，還原出調(diào)理前的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示部分是將處理后的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件模塊主要由主控模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊、模擬量采集模塊和顯示模塊四部分組成。

2.1 主控模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控模塊，其外圍電路如圖2所示。晶振對(duì)單片機(jī)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。方案中采用雙晶振配合使用，其中Y2為8 MHz的高速晶振，如果將其直接加到單片機(jī)上，雖然單片機(jī)能工作，但是會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以在其兩端增加兩個(gè)電容已達(dá)到穩(wěn)頻的效果[2]；Y1為32 768 Hz的低速晶振，其內(nèi)部的雜散電容構(gòu)成回路可以看做是已經(jīng)加過(guò)電容，所以可以將其直接接入單片機(jī)。

圖2 MSP430原理圖

此外，因?yàn)镸SP430單片機(jī)內(nèi)置了ADC12模塊，所以選擇ADC12作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC12具有諸多優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足本次采集系統(tǒng)的需求。它的分辨率能夠達(dá)到1/212，采樣的速度為200 kbit/s；而且ADC12中還內(nèi)置了采樣保持電路，節(jié)省了外部電路成本；它還有四種轉(zhuǎn)換模式，支持超低功耗模式，能夠關(guān)閉其內(nèi)核[3]。

2.2 模擬量采集模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的模擬量采集中擬采集4～20 mA的電流信號(hào)、1～5 V和0～10 V的電壓信號(hào)。因?yàn)?～20 mA、1～5 V信號(hào)是我國(guó)使用最廣泛的DDZ-III型電動(dòng)儀表所采用的標(biāo)準(zhǔn)，它是沿用的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的過(guò)程控制系統(tǒng)模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)[4]。模擬量采集電路如圖3所示。

圖3 模擬量采集電路

對(duì)于電壓量，首先數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求電壓的輸入量程為兩擋：0～10 V擋和1～5 V擋，所以在設(shè)計(jì)中通過(guò)控制雙路選擇開(kāi)關(guān)選出要采集的擋位。當(dāng)0～10 V電壓輸入時(shí)，電壓應(yīng)從規(guī)定好的10 V輸入口P4輸入，然后通過(guò)電阻分壓為原信號(hào)的1/2后送入后級(jí)電路。當(dāng)1～5 V電壓輸入時(shí)，電壓應(yīng)從AIN+和AIN-端接入，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同量程電壓的測(cè)量。

對(duì)于電流信號(hào)，4～20 mA電流信號(hào)同樣從AIN+和AIN-端接入，通過(guò)R11將其轉(zhuǎn)換為電壓量后送入后級(jí)電路。同時(shí)，為使轉(zhuǎn)換的電壓量符合輸入量程，由歐姆定律可得出R11的阻值應(yīng)該被設(shè)計(jì)為250 Ω。

考慮到阻抗會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的影響，甚至可能會(huì)影響到信號(hào)采集電路的準(zhǔn)確性，所以在電路中加入了兩級(jí)跟隨器電路來(lái)對(duì)電路進(jìn)行阻抗變換，以提高電路的驅(qū)動(dòng)能力和穩(wěn)定性[5]。在電路末端反向串聯(lián)了兩個(gè)二極管，形成保護(hù)電路，將電壓鉗制在安全的范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)意外燒壞內(nèi)部器件的情況。

2.3 開(kāi)關(guān)量采集模塊的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量采集電路是以光電耦合器為核心，采集通、斷信號(hào)并將其傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的I/O口線中。如圖4所示，開(kāi)關(guān)量采集使用TLP521-4光電耦合器。開(kāi)關(guān)量由P3和P5輸入，有信號(hào)輸入時(shí)，光電耦合器一側(cè)導(dǎo)通，點(diǎn)亮發(fā)光二極管促使光敏三極管基極導(dǎo)通，從而使光電耦合器另一側(cè)有高電平輸出[6]。

圖4 開(kāi)關(guān)量采集電路原理圖

同時(shí)，光電耦合器在電路中也起到了隔離作用。如果沒(méi)有加光電耦合器而是直接把開(kāi)關(guān)量接到單片機(jī)上，可能會(huì)由于開(kāi)關(guān)量輸出的電壓或電流超過(guò)單片機(jī)的正常工作電壓從而對(duì)單片機(jī)造成損傷。

2.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)

LCD分為段碼型和點(diǎn)陣型兩種，點(diǎn)陣型又分為字符點(diǎn)陣型和圖形點(diǎn)陣型。因?yàn)長(zhǎng)CD1602型液晶屏幕是字符型液晶，顯示內(nèi)容豐富，而且具有較小的體積，接口方便使用，故選擇它作為顯示模塊。

LCD1602有16個(gè)接口，在本系統(tǒng)中采用3.3 V電壓驅(qū)動(dòng)，所以不需要其他電源電路；而且MSP430單片機(jī)的I/O接口較為充裕，所以選擇將LCD1602的接口直接與單片機(jī)I/O接口相連[7]。

3 系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要具體實(shí)現(xiàn)所需功能，不僅僅要搭建好硬件電路基礎(chǔ)，而且還需要對(duì)所需軟件程序進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要有主程序、開(kāi)關(guān)量采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序和LCD顯示程序四個(gè)部分。

主程序負(fù)責(zé)其余三個(gè)程序的調(diào)配和數(shù)據(jù)交換工作，主程序流程圖如圖5所示。首先應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，再初始化主程序；然后初始化各模塊子程序，隨后打開(kāi)系統(tǒng)中斷，利用中斷的方式調(diào)用其余子程序。

圖5 系統(tǒng)軟件模塊流程圖

A/D轉(zhuǎn)換子程序負(fù)責(zé)將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。首先初始化A/D轉(zhuǎn)換模塊，等待系統(tǒng)打開(kāi)中斷后開(kāi)始對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其中初始化部分主要完成A/D轉(zhuǎn)換和定時(shí)器的初始化功能設(shè)置，如參考電壓、模擬量的輸入口等。

LCD顯示程序負(fù)責(zé)對(duì)LCD的初始化和液晶模塊操作。其中LCD初始化包括造作控制引腳置高或置低，使控制指令和數(shù)據(jù)能夠正常寫(xiě)入顯示模塊；液晶模塊操作包括發(fā)送指令、顯示數(shù)據(jù)、顯示位置設(shè)置、顯示內(nèi)容設(shè)置等。

由于開(kāi)關(guān)量經(jīng)過(guò)光電耦合器之后可以直接接到單片機(jī)，單片機(jī)只需判斷引腳的高低電平就可以讀取數(shù)據(jù)。所以開(kāi)關(guān)量采集程序相對(duì)簡(jiǎn)單，只需將單片機(jī)相應(yīng)引腳置為輸入，然后讀取數(shù)據(jù)即可。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，對(duì)電路進(jìn)行了模擬仿真；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。

在硬件電路仿真時(shí)使用Multisim軟件，分別對(duì)模擬量采集電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果均表明電流量、5 V電壓量和10 V電壓量輸入電路后，電路輸出端接收到的電壓量均為理想值，其中5 V電壓量仿真結(jié)果如圖6所示。電路能夠正常運(yùn)行，并完成系統(tǒng)所需的采集任務(wù)。

圖6 5 V電壓仿真

在本系統(tǒng)的調(diào)試中，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1、表2、表3所示。其中電流的單位為毫安(mA)，電壓的單位是伏特(V)。

表1 1～5 V電壓測(cè)量結(jié)果

表2 0～10 V電壓測(cè)量結(jié)果

表3 4～20 mA電流測(cè)量結(jié)果

由于測(cè)量部分都是模擬電路，因此與實(shí)際的電壓值相比會(huì)存在一定的誤差，經(jīng)過(guò)分析可能有以下幾方面因素導(dǎo)致誤差：

(1)電阻值精度不高，與標(biāo)值之間會(huì)有一定的誤差。因?yàn)殡娐分胁捎昧硕鄠€(gè)分壓電阻，所以導(dǎo)致在分壓過(guò)程中產(chǎn)生一定的誤差。

(2)穩(wěn)定誤差及干擾誤差等[8]。

(3)器件誤差，如在電路中運(yùn)用到的二極管、三極管等計(jì)算時(shí)的誤差。

模擬電路中遇到誤差是常見(jiàn)的，而經(jīng)過(guò)分析，測(cè)量電路誤差較小，基本能夠滿足本系統(tǒng)的采集需求。