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數(shù)據(jù)采集是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術(shù),廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開發(fā)的16位單片機(jī),其突出特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)超低功耗,非常適合于各種功率要求低的場合。該系統(tǒng)采樣電路采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位的A／D,使系統(tǒng)具有硬件電路得以簡單化,功耗低的特點(diǎn)。由于該系列較高的性能價(jià)格比,應(yīng)用日趨廣泛。 2 系統(tǒng)的基本組成和工作原理 在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中為了提高系統(tǒng)智能化、可靠性和實(shí)用性,采用單片MCU和上位機(jī)傳輸?shù)姆椒?即MCU運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)端,完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示,上位機(jī)則完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)及顯示,同時(shí)上位機(jī)可對遠(yuǎn)端MCU進(jìn)行控制,使其采集方式可選。MCU選用TI公司的低功耗MSP430F437,該單片機(jī)比80C51功能要強(qiáng)大許多,他內(nèi)部不僅有8路12位A／D,而且還帶LCD的驅(qū)動,節(jié)省了不少外圍電路。本系統(tǒng)現(xiàn)場模擬一正弦波信號以及其他6路分壓信號以供系統(tǒng)進(jìn)行多路采樣,采用ICL8038精密信號發(fā)生芯片產(chǎn)生一頻率可變的正弦波,然后由LM331芯片實(shí)現(xiàn)頻率到電壓的轉(zhuǎn)換,之間還需對信號進(jìn)行調(diào)理以符合系統(tǒng)要求。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由模擬板和MCU板2塊板組成,模擬板包括系統(tǒng)電源、正弦波信號發(fā)生模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)化模塊、信號調(diào)理模塊和7路A／D的接口;MCU板包括電源及A／D接口、MCU、LCD和串口收發(fā)模塊。 3．1 正弦信號發(fā)生模塊 正弦信號發(fā)生模塊主要采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038,ICL8038函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片,具有電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度好、精度高等優(yōu)點(diǎn),外部只需接入很少的元件即可工作,可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外圍電路如圖2所示,由8腳輸入外部控制電壓,調(diào)節(jié)電位器P1即可使2腳輸出的正弦波信號頻率發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)外部壓控振蕩。10,11腳之間接0．01μF的振蕩電容,4,5腳接電阻和電位器,調(diào)節(jié)正弦波失真度。 3．2 頻率電壓變換模塊 頻率電壓變換模塊的設(shè)計(jì)采用集成芯片LM331,LM331采用新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路,在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到5．OV電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬,可達(dá)100 dB;線性度好,最大非線性失真小于O．01％,工作頻率低到0．1Hz時(shí)尚有較好的線性度;轉(zhuǎn)換精度高,數(shù)字分辨率可達(dá)12位;外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V／F或F／V等變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。本系統(tǒng)中的所設(shè)計(jì)的頻率電壓變換電路如圖3所示。 調(diào)節(jié)P1使Rs為12．8 kΩ左右即可,則當(dāng)fi=200 Hz時(shí)Vo=O．22 V;當(dāng)fi=2 kHz時(shí),Vo=2．22 V。 3．3 信號調(diào)理模塊 信號調(diào)理模塊包括信號放大整形電路和信號放大調(diào)理電路。圖4為采用A／D824設(shè)計(jì)的信號放大整形及調(diào)理電路。圖4(a)中由ICL8038產(chǎn)生的正弦波信號先經(jīng)過1 μF電容高通濾波,再經(jīng)A／D824反向放大2倍,然后經(jīng)比較器,輸出對應(yīng)頻率的方波信號,作為LM331的輸入。200 Hz～2kHz的方波信號經(jīng)過LM331頻率電壓變換芯片后,產(chǎn)生的信號Vo為O．22～2．22 V,為符合200 Hz～2 kHz對應(yīng)于1～5V,故需對Vo進(jìn)行調(diào)理,方案中的運(yùn)算電路如圖4(b)所示。 3．4 系統(tǒng)電源模塊 系統(tǒng)采用±12 V直流電源供電,直接供給ICL8038,LM331及A／D3824,將輸入的+12 V電壓經(jīng)過LM317可調(diào)三端穩(wěn)壓管產(chǎn)生+5V電壓,通過電阻分壓產(chǎn)生其他O,1 V,2 V,3 V,4 V,5 V共6路數(shù)據(jù)供給A／D采樣,單片機(jī)板需+3．3 V供電,可由+5V經(jīng)另一LM317產(chǎn)生得到。為減小電源噪聲,給各個電源均加上濾波電容,一般取10 μF和0．1 μF的大小電容組合。 3．5 單片機(jī)模塊 本系統(tǒng)主要運(yùn)用了MSP430單片機(jī)的以下性能特點(diǎn)：低工作電壓、超低功耗、8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動液晶能力可達(dá)160段等,使硬件電路得以簡單化。單片機(jī)及外圍電路如圖5所示,即為系統(tǒng)MCU板的電路原理圖。由5 V電源經(jīng)LM317產(chǎn)生3．3V直流電壓給MSP430供電,單片機(jī)負(fù)責(zé)采集7個通道的電壓數(shù)據(jù)并在LCD上顯示對應(yīng)電壓值,同時(shí)單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行串行通訊,通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232方式,也可采用RS485差分方式接口以改善通訊速率和距離,但需在上位機(jī)前另加485-232轉(zhuǎn)換芯片,稍顯復(fù)雜,因此采用RS232即可滿足系統(tǒng)要求,簡單又實(shí)用。 通過上位機(jī)可對單片機(jī)的采樣模式進(jìn)行控制,即循環(huán)采集和固定通道采集2種模式,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端可控的數(shù)據(jù)采集。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的采用C語言編寫,實(shí)現(xiàn)功能包括：7路A／D采樣、LCD顯示和串口收發(fā),其中7路A／D采樣可由上位機(jī)控制采樣方式,即循環(huán)采樣和固定通道采樣,LCD顯示采樣值和對應(yīng)的通道號,系統(tǒng)通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通訊。 4．1 軟件流程圖 圖6為本系統(tǒng)軟件主流程圖。 系統(tǒng)上電后,對各模塊進(jìn)行初始化,包括：A／D模塊、定時(shí)器A、看門狗、LCD以及串口等。然后判斷采樣方式,進(jìn)行采樣和顯示,系統(tǒng)默認(rèn)的采樣方式為7通道循環(huán)采樣。 5 結(jié)語 本系統(tǒng)是基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)采用單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端控制的功能。 本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： (1)本系統(tǒng)采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生一正弦信號,用于模擬現(xiàn)場需要采集的數(shù)據(jù),產(chǎn)生的模擬信號精度較高。 (2)系統(tǒng)采用低功耗、功能強(qiáng)大的MSP430單片機(jī),MSP430單片機(jī)配置了8路外部通道12位的A／D,可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集,精度較高,可同時(shí)采集7路數(shù)據(jù)且采集方式可控制。采用單片機(jī)內(nèi)部12位的A／D,使系統(tǒng)硬件電路得以簡化。 (3)系統(tǒng)中單片機(jī)與上位機(jī)之間采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)接口方式進(jìn)行通訊,也可采用RS 485差分方式進(jìn)行傳輸,以改善通訊速率和傳輸距離。 本系統(tǒng)中MSP430單片機(jī)負(fù)責(zé)對7路數(shù)據(jù)采集、處理和顯示,同時(shí)應(yīng)答上位機(jī)命令;上位機(jī)面向用戶,可以對系統(tǒng)進(jìn)行控制,向單片機(jī)發(fā)送命令選擇數(shù)據(jù)采集的方式。 本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對7路模擬信號的采集,采集精度較高,可滿足一般場合的應(yīng)用。 |
