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前端數據采集能夠及時獲取被控對象和生產過程的有效信息，在某些實時性要求高的場合尤為重要。工業生產過程中，為了清晰地反映出生產過程的詳細信息，往往需要獲得多個參量的動態數據，這就有必要對被控對象和生產過程進行多路數據采集。COP8CDR9系列微控制器是美國國家半導體公司（National Semicondutor）近期推出的CMOS型8位FLASH微控制器產品。該系列產品集成度高，如：它集成了多達16路的10位A/D轉換器、32KB可加密的FLASH程序存儲器、1KB的數據存儲器、1個全雙工串行通信口、為節能設計的雙時鐘運行模式以及支持在紅編程功能等。它能夠以優越的性價比運用在多數工業生產中。該系列產品，采用44腳或68腳PLCC封裝，以下是其主要的結構特點，如圖1所示。 本文結合COP8CDR9微控制器的功能特點，重點介紹該型號芯片在多路數據采集系統中的應用。 1 COP8CDR9的A/D轉換特性 以采用68腳PLCC的COP8CDR9為例。其PORTA和PORTB口為雙功能口，既可用作一般的I/O口，也是A/D轉換時模擬信號的輸入端口。當用作A/D轉換口時，PORTA、PORTB口支持兩種信號的輸入模式：一種是單端模擬信號輸入模式，另一種是差分輸入模式。因而可根據檢測對象的特點靈活也選擇信號輸入模式進行A/D轉換。 為配合A/D轉換功能，COP8CDR9微控制器在其內部RAM映射表中有3個可直接操作的寄存器與之相關。其中，2個是轉換結果寄存器和1個A/D轉換控制寄存器，它們使得A/D轉換的軟件編程工作可以輕松完成。由于該微控制器提供了10位精度的轉換，而該微處理器為8位系統，因而需要2個寄存器來暫存轉換結果。這2個寄存器是高位轉換結果寄存器（ADRSTH）和低位轉換結果寄存器（ADRSTL），在RAM中的映射地址分別是0CCH和0CDH。轉換結果寄存器的數據存放格式如表1所列。轉換控制寄存器（ENAD）用來選擇A/D轉換通道、A/D轉換模式、多通道輸出以及啟動A/D轉換。ENAD寄存器中各位的設置決定了微控制器A/D轉換工作方式。其中，CHANNEL SELECT中的四位采用BCD碼來選擇轉換通道。當MOD=0時，PORTA、PORTB口中的每位用作單端輸入模式；當MOD=1時，PORTA、PORTB口中的每相鄰兩位用作差分信號輸入模式；當X=1時，芯片還具有多通道輸出的功能；Prescale位可用來選擇A/D轉換的時鐘頻率，當該位置位時，A/D轉換的工作頻率為主時鐘的16分頻，否則，轉換頻率和主時鐘頻率相同；當Busy位置位時，片內A/D轉換模塊啟動A/D轉換。完成一次A/D轉換所需要的典型時間為15個A/D轉換周期。A/D轉換完畢，EAND寄存器的Busy位被機器內部硬件自動復位，并將轉換結果存入ADRSTH和ADRSTL寄存器中，供總線讀取。另外，該芯片內部提供A/D轉換的參考電壓，用作A/D轉換時只需將V+和Vcc連接，V-和GND連接。ENAD寄存器中各位的定義詳見參考文獻[1]。 Channel select:A/D轉換通道選擇位，它由4位組成； Mode select：A/D轉換模式選擇位； Mux/Out：多路轉換器/輸出選擇位； Prescale：預定標功能選擇位； Busy：A/D轉換狀態位。 2 COP8CDR9構成的前端多路數據采集系統 由于COP8CDR9微控制器有著豐富的I/O資源以及多達32KB的片內FLASH程序存儲器，因而可以在不外擴I/O（PLCC68封裝）或外擴I/O口（PLCC44封裝）的情況下，組成圖2所示的前端多路數據采集系統。 如圖2所示，該數據采集系統主要包括6個功能子模塊，能夠運用在大多數工業數據采集、記錄場合。下面逐一介紹各個功能子模塊。 （1）A/D轉換子模塊 該模式主要完成從模擬信號輸入到量程轉換（0～5V電壓），輸入方式轉換，再到芯片內部完成模擬量的數字量化。一次典型A/D轉換子程序如下： …… ；初始化（略） LD PORTAC，#X'00H LD PORTAD，#X'00H LD PORTBC，#X'00H ；設置A、B口為輸入口 LD PBD，#X'00H A/D：LD ENAD，#X'00H；對0通道單端輸入信號進行轉換 SBIT O，ENAD ；啟動A/D轉換 LD REG1，#X'20H WAIT：DRSZ REG1 ；延時，等待A/D轉換結果 …… ；相應處理程序 對于信號單端直接輸入而言，其線路簡單、易于實現，但可能信號干擾嚴重。信號差分輸入具有抗干擾能力強的特點，圖3為多路數據采集中采用的抗干擾差分輸入轉換電路。差分轉換后電流為10～20mA。 （2）鍵盤顯示模塊 該模塊為實現人機接口而設計。這可用來設定A/D轉換的工作方式，比如，是多路巡回檢測轉換還是對特定的某位進行轉換，并將轉換結果通過顯示子模塊顯示出來，可采用常用的8279芯片來實現。 （3）FLASH數據存儲器模塊 在某些需要記錄重要數據的場合，比如數據黑匣子，就需要對采集到的實時數據立即保存，并且在系統掉電后，這些重要數據不被丟失。串行或并行FLASH數據存儲器能夠較好地解決這個問題。由于COP8CDR9微控制器自帶32KB FLASH閃速程序存儲器，并且其支持Virtual EEPROM（虛擬電寫電擦除只讀程序存儲），即在一起記錄數據不大（小于32KB減去片內程序所占用的存儲空間）的情況下，可以直接把采集到的數據寫入片內FLASH中。這樣，可以充分利用系統資源降低成本，并且提高系統工作的可靠性。 （4）實時時鐘模塊 該模塊為多路實時數據采集系統提供一個統一的時間標準，方便后續的數據分析。可選用自帶鋰電池的實時時鐘芯片DS12C887來實現。 （5）ISP接口模塊 在系統編程ISP（In System Programming）接口模塊，使技術人員不需要拆卸已經安裝好垢前端采集系統，就能夠很方便地對前端采集系統進行程序更新升級。該接口可以利用美國國家半導體公司推出的微控制器微總線方式SI（Serial In）、SO（Serial Out）和SK（Serial Clock）來實現，也可以選擇任意3根I/O通過軟件編程實現ISP功能。 （6）RS485串行通信模塊 COP8CDR9集成了一個全雙工可軟件編程的USART口，可以方便進行串行數據通信。該微控制器構成的數據采集系統采用RS485總線進行信號差分傳輸，克服了RS232總線傳輸距離有限的缺陷，并且通過上位機編碼。RS485總線可以方便地把多個前端數據采集系統組合成一個分布式數據采集系統。 3 多路數據采集系統在列車實時監控中的應用 列車運行狀況監控系統主要用來記錄列車在運行過程中的諸如發電機組電流、電壓、線座溫度以及制動系統壓力值等參量的變化情況。其中，列車空氣制動系統主要由每節車廂底部的主風缸、儲風缸、副風缸、制動缸及管道組成。這些參數直接關系到列車運行過程的安全性，而現有列車在運行時缺乏對前端實時數據進行采集的有效手段。列車運行狀況主要依靠列車值班員的感官和工作經驗來判斷，盡管列車經過一定年限要進行全面檢修，但由于不能及時發現安全隱患，所以制約了進一步提高列車運行的可靠性。采用由COP8CDR9組成的多路數據采集系統，可以對諸如溫度、壓力等傳感器轉換成的電量信息進行采集、存儲、并上傳給上位車載計算機，起到實時獲取列車運行狀況的作用，以提高列車運行安全性。圖4給出了運行列車綜合數據采集系統構成的實時監控系統。其中上位機是新型列車上的計算機，該新型的列車每節車廂配備有RS485總線接口；下位機為安裝在每節車廂同的以COP8CDR9微控制器為核心的前端多路數據采集系統。圖4中的可移動硬盤可將采集到的數據在列車到站后導入鐵路局地面上型數據庫系統。該數據庫系統用來分析和記錄列車的運行狀況。 結束語 COP8CDR9微控制器具有豐富的I/O資源，強大的多路A/D轉換能力，可以在外圍擴展電路不太復雜的條件下實現多路數據采集的功能。該系統系統具有較高的性價比，可以適用于多數具有一定精度要求的現場數據采集場 |
