多路數據采集系統_本科畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 航技術、工業等領域。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠的單片機數據采集系統 (DAS)。數據采集技術已經成為一種專門的技術，在工業領域得到了廣泛的應用。該階段的數據采集系統河南大學本科畢業生學士學位論文 第 2 頁 采用模 塊式結構，根據不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，井結合系統編程，就可擴展或修改系統，迅速組成一個新的系統。 [1] 盡管現在以微機為核心的可編程數據采集與處理采集技術的發展方向得到了迅速的發展，而且組成一個數據采集系統只需要一塊數據采集卡，把它插在微機的擴展槽內并輔以應用軟件，就能實現數據采集功能，但這井不會對基于單片機為核心的數據采集系統產生影響。相較于數據采集板卡成本和功能的限制，單片機其多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優點，而單片機 又其有精度較高、轉換速度快、能夠對多點同時 進行采 集，因此能夠開發出能滿足實際應用要求的、電路結構簡單的、可靠性高的數據采集系統。這就使得以單片機為核心的數據采集系統在許多領域得到了廣泛的應用。 國內外在該方向的研究現狀及分析 數據采集系統是通 過采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成數字信號，并進行析、處理、傳輸 、顯示、存儲和顯示。它起始于 20 世紀中期，在過去的幾十年里，隨著信息領域各種技術的發展，在數據采集方面的技術也取得了長足的進步，采集數據的信息化是日前社會的發展主流方向。各種領域都用到了數據采集，在石油勘探、科學實驗、飛機飛行、地震數據采集 、衛 星遙感成像、無人機、艦載傳感器系統 領域已經得到應用。 [1] 國內在該方向的研究現狀 早期， 對于大部分制造業企業，測量儀器的自動數據采集一直是個令人煩惱的事情，即使儀器已經具有 RS232/485 等接口，但仍然在使用一邊測量，一邊手工記錄到紙張，最后再輸入到 PC 中處理的方式，不但工作繁重，同時也無法保證數據的準確性，常常管理人員得到的數據已經是滯后了一兩天的數據；而對于現場的不良產品信息及相關的產量數據，如何實現高效率、簡潔、實時的數據采集更是一大難題。 由研究人員研發的 生產現場實時數據采集 系統解決 了這一問題， 整個系統采用分布式結構，軟、硬件均采用了模塊化設計。數據采集部分采用自行開發的帶光隔離的 RS485 網，通信效率高，安全性好，結構簡單。后臺系統可根據實際被監控系統規模大小及要求，構成 485 網、 Novell 網及 Windows NT 網等分布式網絡。由于軟、硬件均為分布式、模塊化結構，因而便于系統升級、維護，且根據需要組成不同的系統。 .數據處理在 Windows NT 平臺上采用Visual C++語言編程，處理能力強、速度快、界面友好，可實現網絡數據共享。 [2] 我國的數字 地震觀測系統主要采用 TDE124C 型地震數據采集系統。近年來，又成功研制了動態范圍更大、線性度更 高， .兼容性更強、低功耗可靠性的TDE3240 型地震數據采集系統。該數據采集對地 震計輸出的電信號模擬放大后送至 A/D 數字 化， A/D 采用同時 采樣，采樣數據經 DSP 數字 濾波處理后， 變成數字地震信號。該數據采集系統具 備 24 位 A/D 轉換芯片 ，采樣率有 5 0HZ,100HZ,200HZ。 [1] 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 3 頁 國外在該方向的研究現狀 由美國 PASCO 公司生產的“科學工作室”是將數據采集應用于物理實驗的嶄新系統，它由 3 部分組成 :（ 1）傳感 器 :利用先進的傳感技術可實時采集技術可實時采集物理實驗中各物理量的數據 。（ 2）計算機接口 :將來自傳感器的數據信號輸入計算機，采樣速率最高為 25 萬次 /S。（ 3）軟件 :中文及英文的應用軟件。 [1] 受需求牽引，新一代機載數據采集系統為滿足飛行實驗應用也在快速地發展。如愛爾蘭 ACRA 公司 2020 年研發推出的新一代 KAM500 機載數據采集系統。到了 2020 年。本系統采用 16 位模數轉換芯片，總采樣率達 500K/s，可以利用方式組成高達 1000 通道的大容量的分布式采集系統。 [1] 該課題研究的主要內容 數據 采集技術是信息科學的重要分支之一，它研究信息數據的采集、存儲、 處理以及控制等問題。它 是對傳感器信一號的測量與處理，以微型計算機等高技術 為基 礎而形成的一門綜合應用技術。數據采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發展和普及，數據采集監測已成為日 益重要的檢測技術，廣泛應用上 工 農業等需要同時監控溫度、濕度和壓力等場合。數據采集是 工 業控制等系統中的重要環節，通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來實現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點直接影響到整個系統。 盡管現在以微機為核心的 可編程數據采集與處理技術作為數據采集技術的發展方向得到了迅速的發展，并且適于通用微機 (IBM PC 系列 )使用的板卡級 數據采集產品也已大量出現，組成一個數據采集系統簡單到只需要一塊數據采集 卡，把它 插在微機的擴展槽內，并輔以應用軟什，就能實現數據采集功能，但這并 不會對基于單片機為核心的數據采集系統產生影響，因為單片機功能強大、抗干擾能力強、可靠性高、靈活性好、開發容易等優點，使得基于單片機為核心的數據采集系統在許多領域得到了廣泛的應用。 傳統的基于單片機的數據采集系統由于沒有上位機的支 持，不管采用什么樣的數據存儲器，它的存儲容量都是有限的，所以不得不對存儲的歷史數據進行覆蓋刷新，這樣不利于用戶對數據進行整體分析，因而也不能對生產過程的狀況進行準確的把握。 本系統 采用下位機負責模擬數據的采集，從單片機負責采集八路數據，并應答主機發送的命令，上位機即主機是負責處理接受過來的數字 量的處理 、存儲 及河南大學本科畢業生學士學位論文 第 4 頁 顯示，主機和從機之間用 RS232 進行通信。這樣用戶可以在上位機上編寫各種程序對文 件中的數據進行有效查詢 和分析，有利于工 業過程的長期正常運行和檢查。由于本人能力有限并未實現上位機功能，只利用現有硬件實現 了下位機功能。河南大學本科畢業生學士學位論文 第 5 頁 第 2 章 數據采集系統的設計 數據采集系統簡介 。 數據采集系統 數據采集 (DAQ)，是指從轉感器和其它待測設備等模擬和數字被測一單 元中自動采 集 非電量 或者電量信一號，送到 上 位機中進行分析，處理。數據采集 系統是結合基于 計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈 活的、用戶自定義的測量系統 。數據采集技術廣泛引用在各個領域。 通常，必須在數據采集設備采集之前調 制傳感器信號，包括對其進行增益或衰減和 隔離，放大，濾波等 .對待某些傳感器，還需要提供激 勵信 號 .數據采集系統可以將多路模擬信 號自 動地進行采集并進行數字化測量，再送到計算機 中 進行處理、傳輸、顯示、存 儲或打 印，從而獲得有關被測對象的大 量數據。數據采集系統具有 廣 泛的應用前景，如 工 廠為對生產過程進行自動控制，必須實時測量 出反映 工 藝流程和產品質 的各種參量。因此，在工 農業、科研、國防、環保及日常 生 活等各個領域，為了實現過程控制、狀態監測、故障診斷、質量檢測 等任務，大多要應用數據采集系統。 70 年代初，隨著計算機技術及大規模集成電路的發展，特別是微處理器及 高速 A/D 轉換器的出現，數據采集系統結構發生了重大變革。原來由小規模集 成的數字 邏輯電路 及硬件程序控制器組成的采集系統被微處理器控制的采集系統所代替。由微處理器去完成程序控制，數據處理及大部分邏輯操作，使系統的 靈活性和可靠性大大地提高，系統硬件成本和系統的重建費用大大地降低。 數據采集的目的 數據采集的目的是為了測量 電 壓、電流、溫度 或聲音等物理現象。 給予 PC的數據采集，通過模塊化硬件、應用軟件 和計算機的結合，進行測量。盡管數據采集系統根據不同的應用需求有不同的定義，但各個系統 采集、 分析和顯示信 息的目的卻都相同。數據采集系統結合了信 號、傳感 器、激勵器、信 號調理、數據采集設備和應用軟件 。 數據采集技術是單片機應用技術的主要分支。外部現實對 象 （廣 義的外部 設備 )通過接口和計算機交換信息，在現實對象 中 ， .信息表現為不 同 的形式并有明確的物理意義，通過對數據采集系統的設計來掌握單片機對數據 的采集及其處理的過程，并將學習到的理論知識聯系到實際應用當中 。 數據采集系統框圖 數據采集系統一般由信 號調理電路，多路切換電路，采樣保持電路， A/D 轉換芯片，單片機或 ARM 等組成。 本系統只對 0V5V的電壓信號進行采集并轉換，河南大學本科畢業生學士學位論文 第 6 頁 所以只包含 A/D 轉換芯片，單片機 /ARM 等。 數據采集 系統框圖如 圖 21： 電 腦 U S B上 位 機 v is u a l C + + 通 信軟 件單 片 機P L 2 3 0 3A /D 轉 換 芯片L C D 1 6 0 2采 集 信 號0 V 到 5 V電 壓 信 號 圖 21 多路采集系統系統框圖 主要芯片 (1)89C52 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機中基本的產品，它采用 ATMEL公司可靠的 CMOS 工藝技術制造的高性能 8 位單片機，屬于標準的 MCS51 的HCMOS 產品。它結合了 CMOS 的高速和高密度技術及 CMOS 的低功耗特征，它基于標準的 MCS51 單片機體系結構和指令系統，屬于 89C51 增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數器等更多的功能，適合于類似馬達控制 等應用場合。 89C52 內置 8 位中央處理單元、 256 字節內部數據存儲器 RAM、 8k片內程序存儲器（ ROM） 32 個雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個 16 位定時 /計數器和 5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。此外， 89C52 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結河南大學本科畢業生學士學位論文 第 7 頁 CPU 而 RAM 定時器、串行口和中斷系統維持其功能。掉電模式下，保存 RAM數據，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。 89C52 有 PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。 [2] (3)PCF8591 是一個單片集成、單獨供電、低功耗、 8bit CMOS 數據獲取器件。PCF8591 具有 4 個模擬輸入、 1 個模擬輸出和 1 個串行 I2C 總線接口。 PCF8591的 3 個地址引腳 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同 一 個 I2C 總線上接入 8 個 PCF8591 器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進行傳輸。 [3] (4)LCD1602 工業字符型液晶，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符。（ 16 列 2行） 1602 液晶也叫 1602 字符 型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符 號等的點陣型液晶模塊。它由若干個 5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符 間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形 。 [4] 涉及到的軟件 (1)KEIL C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發系統，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。 KEIL 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（ uVision ）將這些部分組合在一起。運行 K e I l 軟件需要 WIN9 NT、 WIN20WINXP 等操作系統。 [5] (2)Visual C++ ，簡稱 VC 或者 ，是微軟推出的一款 C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機器語言（低級語言）”的程