基于AD0809和單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法

“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機進行存儲、處理、顯示和打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文的主要任務(wù)是對0～5V的直流電壓進行測量并送到遠端的PC機上進行顯示。由于采集的是直流信號，對于緩慢變化的信號不必加采樣保持電路。因此選用市面上比較常見的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉(zhuǎn)換速度快，價格低廉，可以直接將直流電壓轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字量。同時選用低功耗的LCD顯示器件來滿足其在終端顯示采集結(jié)果的需求。終端鍵盤控制采用盡可能少的鍵來實現(xiàn)控制功能，為了防止鍵盤不用時的誤操作。設(shè)計時還設(shè)置了鎖鍵功能，在鍵盤的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來降低硬件開銷，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件設(shè)計方面則采用功能模塊化的設(shè)計思想;鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用中斷方式來實現(xiàn)，從而大大提高了單片機的效率以及實時處理能力。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般由信號調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機等組成。本文主要完成功能的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.ADC0809的結(jié)構(gòu)功能

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計算機作為處理器。電子計算機所處理和傳輸?shù)亩际遣贿B續(xù)的數(shù)字信號，而實際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后。需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進行處理和控制，因此，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路，即A/D轉(zhuǎn)換器就是現(xiàn)實信號轉(zhuǎn)換的橋梁。

目前，世界上有多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，如并行比較型、逐次逼近型、積分型等。本文采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，該類AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高。速度快，價格適中，是目前種類最多，應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。

ADC0809就是一種CMOS單片逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力。該器件既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。

圖2 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ADC0809是8路8位A/D轉(zhuǎn)換器f即分辨率8位），具有轉(zhuǎn)換起停控制端，轉(zhuǎn)換時間為100μs采用單+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V。且不需零點和滿刻度校準，工作溫度范圍為一40一+85℃功耗可抵達約15mW。

3.ADC0809與單片機的接口電路

ADC0809與MCS一51系列單片機的接口電路如圖3所示。圖中，74LS373輸出的低3位地址A2、A1、AO~II到通道選擇端A、B、C，可作為通道編碼。其通道基本地址為0000H～0007H。8051的WR與P2.7經(jīng)過或非門后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2.7經(jīng)或非門后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機的P3.3（INT1）。

圖3 ADC0809與8051單片機的接口電路圖

4.單片機與PC機的互連

目前的串行通信接口標準都是在RS一232標準的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進而形成的。RS一323C標準是美國EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口（如信號線功能、電器）特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。

4.1電氣特性

EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上，邏輯1（MARK）電平為-3V～-15V，邏輯0（SPACE）電平為+3～+15V;而RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上，信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）電壓為+3V～+15V，信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）電壓為-3V～-15V。

以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V;對于控制信號;接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的電平低于-3V，也就是說，當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路才可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義。低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應(yīng)保證電平在±（3～l5）V之間。

對于EIA-RS-232C與TTL的轉(zhuǎn)換，由于EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，它與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或與終端的TTL器件連接，就必須在EIA—RS一232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。

4.2DB-9連接器

DB-9連接器作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。由于DB-9型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若要與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備進行連接，就必須使用專門的電纜線。

設(shè)計時對電纜長度的要求是在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離應(yīng)為15m（50英尺）。

根據(jù)RS-232C標準規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間的最大傳輸距離為15m（50英尺）。由于這個最大距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。因此，為了保證碼元畸變小于4%的要求，本接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負載電容應(yīng)小于25O0pF。

4.3單片機與MAX232的連接

MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器。該芯片可完成TTL?ElA雙向電平轉(zhuǎn)換。其片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器?？梢栽趩?5V伏電壓供電時提供EIA/TTL一232一E電平。每個接收器都應(yīng)將EIM/TIA一232一E電平轉(zhuǎn)換為5VTTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收30V輸入。每個驅(qū)動器都應(yīng)將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA一232一E電平。MAX232的工作溫度范圍為0～70%。

圖4所示是MAX232芯片的工作電路圖。在實際應(yīng)用中，該器件對電源的噪聲很敏感。圖中的四個取同樣數(shù)值的電解電容（1.OlxF/16V），用以提高抗干擾能力。本設(shè)計可從MAX232芯片中的兩路發(fā)送接收器中選用一路作為接口，但設(shè)計時應(yīng)注意發(fā)送與接收的對應(yīng)。

圖4 MAX232的應(yīng)用電路圖

結(jié)束語

該方法在終端采用8051單片機為核心來控制數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)上傳工作，并通過MD轉(zhuǎn)換器將0-5V的直流電壓轉(zhuǎn)換為計算機可以進行處理的數(shù)字信號，然后經(jīng)過單片機對其進行處理，從而完成在終端顯示以及將數(shù)據(jù)上傳等功能。系統(tǒng)中的上位機完成對所采集的數(shù)據(jù)進行顯示及對下位機的控制等功能。
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