李夢

摘? ?要：本設計主要通過制作光學檢測儀的硬件電路，測量環(huán)境可見光的光度、功率、色度等物理量，通過不同的光電傳感元件，可以實現(xiàn)對光信號各個參數(shù)實時監(jiān)測，應用范圍極廣，尤其在光纖通信等領域具有重要作用。通過研發(fā)實驗，文章提出構建一個基于光電信號檢測的信號采集平臺。

關鍵詞：光電檢測;數(shù)據采集;傳感器

1? ? 數(shù)據采集系統(tǒng)

隨著科學技術快速發(fā)展和普及，許多領域開始廣泛使用數(shù)據采集系統(tǒng)。尤其在工農業(yè)控制系統(tǒng)里，數(shù)據采集是重要組成部分，在許多工農業(yè)的生產過程中，往往需要對各個生產環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量、壓力等參數(shù)進行隨時檢測。同時，在任意參數(shù)的隨機搜索和檢測，一定時期內試驗數(shù)據的轉換和提取、比較、決策，控制方案的調整和產品合格率的提高等方面都具有良好的經濟效益。嚴格來說，數(shù)據采集系統(tǒng)應該是計算機控制的多通道數(shù)據自動檢測或電路檢測，對數(shù)據進行存儲、處理、分析和計算，并能從測試數(shù)據中提取可用信息，供顯示、記錄、打印或描述系統(tǒng)使用[1]。

本設計主要是對多通道數(shù)據采集系統(tǒng)的基礎研究，主要解決如何采集數(shù)據、如何采集多通道數(shù)據，并將數(shù)據上傳到計算機。本設計最終實現(xiàn)了光電信號的數(shù)據轉化、采集顯示等功能。

2? ? 硬件系統(tǒng)設計模塊

在數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)中，主控部分是單片機，其他組成模塊有信號調理電路部分、多路開關部分、采樣保持電路部分、A/D轉換模塊、電平轉換接口、接收端（單片機、PC或其他設備）。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

2.1? 信號調理電路部分

將被測對象的輸出信號轉換成計算機需要的輸入信號是信號調理電路的任務?？梢酝ㄟ^設置多通道選擇開關來降低多通道數(shù)據采集系統(tǒng)的輸入通道硬件開銷，同時，當感應到傳感器的輸出信號太小時，每個通道都應有一個前置放大器環(huán)節(jié)，避免小信號通過模擬開關引起大的附加誤差[2]。

2.2? 數(shù)據采集電路部分

本設計中數(shù)據采集電路部分選用程序控制的，其由硬件部分和軟件部分組成了程序控制數(shù)據采集。在采集過程中，根據不同要求，選擇相應的采集程序采集存儲在程序存儲器中的各種信號。此外，為了滿足不同采樣任務的要求還可以編寫新的程序[3]。

測量通常不直接轉換成數(shù)字量，并且大多數(shù)需要高級處理，例如放大、特征補償和濾波。由于被測信號的幅值相對較小，通常不能直接傳輸?shù)紸/D轉換器，而且可能含有其他高頻成分。因此，其需要處理，即信號調理，如信號的增加、衰減、濾波等處理過程。在這個過程中，A/D轉換是必需的，主要包括采樣保留、量化和編碼兩個步驟。

2.2.1? 采樣—保持

采樣定理是采樣頻率應不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，才能不損失原模擬信號的真實性，即：

fs≥2fImax

由于需要一定的時間來進行A/D轉換，所以從每次采樣后直到下一次采樣開始為止，采樣電壓應保持不變。在實踐中，采樣—保持被制成電路。

2.2.2? 量化與編碼

經過采樣—保持電路后的模擬信號，其采樣脈沖是連續(xù)的模擬信號，不是數(shù)字信號而是瞬時值，且是連續(xù)模擬信號在給定時間內的瞬時值。因此，把每個采樣脈沖轉換成一個與其振幅成比例的數(shù)字。

A/D轉換的一般步驟就是以上兩個，數(shù)據轉換部分對于光電檢測電路必不可少，對于模擬信號的采樣和轉換更是至關重要。

2.3? 控制器、振蕩源和復位電路

2.3.1? 控制器部分

為了接受ADC0809的數(shù)據， 使用單片機作為主控制器的核心部分，將接受的數(shù)據進行處理后采用串口模式進行傳輸。因為控制器的系統(tǒng)功能較簡單，采樣通道選擇的完成只需要只有兩個開關的鍵盤和一個外部中斷，作為核心部分的單片機可以通過發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）數(shù)字顯示碼與接口芯片相連接，驅動顯示相應渠道收集的數(shù)據。

2.3.2? 振蕩源部分

并聯(lián)諧振電路的形成是振蕩源內部方式時鐘電路外接晶體以及電容C12，C13相連，而放大器的反饋回路接內部振蕩器，從而產生自激振蕩。在此電路中，可以選擇2～12 MHz的晶振。因電容的容值大小會對振蕩的頻率、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性產生一定影響，所以盡管振蕩器對外接電容的容值大小沒有嚴格要求，在外接晶體時，一般選30 pF的C12和C13;外接陶瓷諧振器時，一般選典型值為47 pF的C12和C13。

2.3.3? 復位電路部分

通過外部電路來實現(xiàn)單片機的復位。在振蕩器正常運行的情況下，不管是HMOS還是CHMOS型，RST（Reset）引腳對上述兩個機器周期以上時間的高電平都要進行保持，此時系統(tǒng)復位。而在第二個周期中，當RST端出現(xiàn)一個高電平時，內部復位執(zhí)行一個，然后復位每個周期，直到RST端變低。

2.4? 鍵盤與顯示電路

鍵盤和液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）組成一個顯示電路，對系統(tǒng)發(fā)出命令和輸出顯示測量結果。鍵盤可分為兩種，一種是獨立連接式，另一種是矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤通常有以下幾個不可缺少的部分：鍵盤開關矩陣，輸出行線鎖存器，輸出列線緩沖器。首先，微控制單元（Microprogram Control Unit，MCU）先將行線第0根線置低，其余的線都置高，則此時0行為0狀態(tài)，其余行都為1狀態(tài)。隨后MCU讀取輸入緩沖器的狀態(tài)，此時確定哪條是0狀態(tài)，哪條是1狀態(tài)，若此時第1行為0狀態(tài)，則表示0鍵被按下，若第一行為0狀態(tài)，則表示1鍵被按下。以此類推，當輸入緩沖器的狀態(tài)全部都是1狀態(tài)時，則MCU繼續(xù)讓行線1變?yōu)榈碗娖剑溆喽甲優(yōu)楦?，再次重新讀取輸入緩沖器的狀態(tài)。從而確定哪條列線是0狀態(tài)，判斷哪條線以及哪個鍵被按下，判斷出來按鍵位置之后，就輸出相應的按鍵結果。

當然，要想完成控制系統(tǒng)中采集通道的選擇，還需要對系統(tǒng)鍵盤進行設置。因為其功能要求簡單，完成選擇功能只需兩個按鍵即可，系統(tǒng)的硬件開銷就可以減少，并且在軟件處理上也變得相對簡單。

2.5? 通信電路

51單片機有一個全雙工的串行口，其可以方便單片機與PC機之間的串口通信。而且必須滿足一定的條件，才能進行串行通信，例如對于單片機來說，其串口是TTL電平，而對于PC來說，其串口應是RS232電平的，并且單片機的串口和PC的串口之間必須有一個電平轉換電路，一般進行轉換使用的是專用芯片F(xiàn)T232RL，因為更簡單、可靠。

2.6? 前端模擬電路

前端模擬電路主要由光電傳感器和LM324系列運算放大器組成的運算電路構成，光電傳感器是光電檢測儀最核心的部分之一。本設計中，光電傳感器采用光電實驗箱中的PSD測位移模塊，該器件有正負極電壓輸出，最強光時輸出電壓為0 V，最弱光時輸出電壓為3 V，可以根據該電壓范圍對后續(xù)的模擬電路進行元件取值設計。

3? ? 軟件設計模塊

在整個電路系統(tǒng)的軟件設計中，分為以PC端作為主控制器的軟件設計和以單片機終端節(jié)點作為數(shù)據采集器的軟件設計兩個部分。采用模塊化編程來實現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，其功能子程序主要有：數(shù)據采集程序、標度變換模塊、數(shù)制轉換模塊、數(shù)值顯示電路、發(fā)送、接收和部分中斷子程序。

采用中斷方式的是A/D轉換模式，向8051的中斷申請采用EOC信號，其流程主要是將主程序中的第一個啟動轉換信號發(fā)送給模擬數(shù)字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）后，然后對計數(shù)管理轉換通道的數(shù)量進行統(tǒng)計。接著執(zhí)行中斷服務程序，在檢測到基于電纜的以太網連接（Ethernet Over Cable，EOC）請求后，對轉換的結果進行讀取，啟動下一個轉換，接著繼續(xù)執(zhí)行。在該單片機系統(tǒng)中，被測量經過A/D轉換后，都統(tǒng)一轉換為范圍在0～255的二進制碼，所以被測量的實際數(shù)值是由A/D轉換的數(shù)碼X變換成的。由于監(jiān)視器不能直接接收顯示轉換后的兩個字節(jié)的實際值，因此，必須對被測量的實際值進行適當?shù)奶幚恚▽⑵滢D換為5位的未壓縮BCD代碼），才能送顯示端輸出顯示。

鍵盤軟件的主要功能是通過增加或減少表示緩沖區(qū)的通道數(shù)的值，從而控制通道的選擇。

4? ? 結語

在不同的工農業(yè)現(xiàn)場，數(shù)據采集技術是一項非常實用的技術。通過對數(shù)據采集與傳播的初步研究，建立了基于單片機的數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)的硬件平臺，采用8051，ADC0809、個人計算機等相關接口和相應的軟件實現(xiàn)了8路模擬量的采集與傳輸。但是在信號采集過程中，由于被測信號通常是由傳感器提供的，信號通常較微弱，需要進行適當?shù)恼{整。

[參考文獻]

[1]高明.基于單片機的多通道數(shù)據采集系統(tǒng)[J].企業(yè)家天地（理論版），2010（6）：247.

[2]沙祥，張洪明，孫敏.基于MSP430單片機構成雙積分型AD轉換器的原理及實現(xiàn)方法[J].電腦知識與技術，2011（14）：227-228.

[3]姚遠，王賽，凌毓?jié)? TLC2543在89C51單片機數(shù)據采集系統(tǒng)中的應用[J].信息化研究，2003（9）：37-38.

Abstract：This design is mainly through the production of optical detector hardware circuit， measuring the environment visible light photometric power chromaticity and other physical quantities through different photoelectric sensor elements， can achieve the real-time monitoring of optical signal parameters， the application range is very wide， especially in optical fiber communication and other fields have an important role. Through research and development experiments， a signal acquisition platform based on photoelectric signal detection is constructed in this paper.

Key words：photoelectric detection; data collection; sensor