武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1摘要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是用計(jì)算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)或巡回檢測(cè)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)、處理、分析計(jì)算以及從檢測(cè)的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。本課程設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作了基本的研究。本系統(tǒng)主要解決的是采集10路模擬量(10位精度)，20路開關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1毫秒，通過串行通訊方式RS485向一臺(tái)工控機(jī)傳送的實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、模擬量。數(shù)字量、串行通信武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)要采集10路模擬量(10位精度)，20路開關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1毫秒，通過串行通訊方式RS485向一臺(tái)工控機(jī)傳送。要求：選擇合適的芯片；設(shè)計(jì)原理電路（包含譯碼電路）；編制數(shù)據(jù)采集的程序段；編制數(shù)據(jù)通信程序段；撰寫設(shè)計(jì)說明書。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)方案本課設(shè)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)要采集10路模擬量(10位精度)，20路開關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1毫秒，通過串行通訊方式RS485向一臺(tái)工控機(jī)傳送。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路，多路開關(guān)，采樣保持電路，A/D，10路模擬量A./D轉(zhuǎn)換MCU工控機(jī)20路數(shù)字量RS485I/O擴(kuò)展武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書3單片機(jī)，電平轉(zhuǎn)換接口，接收端（單片機(jī)、PC或其它設(shè)備）組成。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，數(shù)據(jù)采集原理圖如圖1所示：圖1數(shù)據(jù)采集原理圖由原理圖可知，此設(shè)計(jì)主要分三大部分：模擬量的輸入采集，數(shù)字量的輸入采集，從機(jī)向主機(jī)的串行通信。信號(hào)采集分析：采集多路模擬信號(hào)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器前端需加采樣/保持(S/H)電路。待測(cè)量一般不能直接被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大、特性補(bǔ)償、濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理。被測(cè)信號(hào)往往因?yàn)榉递^小，而且可能還含有多余的高頻分量等原因，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換器，需對(duì)其進(jìn)行必要的處理，即信號(hào)調(diào)理。如對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波等。本題設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，模擬量和數(shù)字量直接給出，故信號(hào)采集部分可忽略，而將數(shù)據(jù)輸出直接連接至A/D轉(zhuǎn)換器輸入端。模擬量的采集：A/D轉(zhuǎn)換器的選取應(yīng)考慮：（1）轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇：轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。由于本系統(tǒng)的控制時(shí)間無具體要求，故可不予考慮，但至少要小于題目要求的1ms，這是可以達(dá)到的。（2）AD位數(shù)的選擇：A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號(hào)采集的精度和分辨率。要求精度為10位。輸入為05V時(shí)，分辨率為0049.01251210NFVV設(shè)計(jì)要求10位精度的10路模擬量，通過查閱資料，TLC1543芯片滿足要求。TLC1543是一種開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，12位或8位串行數(shù)據(jù)輸出。可采集11路模擬輸入電壓，由片內(nèi)多路開關(guān)選通，并采樣保持。數(shù)字量的采集：設(shè)計(jì)中要求是20路數(shù)字量，可利用單片機(jī)的I/O口直接采集，但需要20個(gè)I/O口與之對(duì)應(yīng)，這樣，就浪費(fèi)了芯片的管腳資源，可采用并行采集、串行輸出的辦法，進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書4傳輸方式分析：通過串行通訊方式RS485向工控機(jī)傳送。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1模擬量的輸入采集設(shè)計(jì)模擬電壓量的輸入需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行采集，此設(shè)計(jì)要求10路模擬量的10位精度A/D轉(zhuǎn)換，可采用芯片TLC1543。3.1.1TLC1543功能介紹AD采樣模塊采用TLCl543。TLC1543具有以下特點(diǎn)：10位精度、11通道、三種內(nèi)建的自測(cè)模式、提供EOC（轉(zhuǎn)換完成）信號(hào)等，串行輸出,內(nèi)部時(shí)鐘,轉(zhuǎn)換時(shí)間21S,線性度1.0LSB,該芯片與單片機(jī)的接口采用串行接口方式，引線很少，與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單TLC1543的控制端CS、IOCLOCK、ADDRESS和數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議。TLC1543和微處理器的串行接口之武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書5間可通過一個(gè)4線接口高速傳輸數(shù)據(jù)。圖2是TLC1543的引腳示意圖：TLC1543為20腳封裝的CMOS10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器封裝和時(shí)序圖如圖2所示A0A10為11路模擬輸入端，圖2TLC1543管腳圖REF+和REF-為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端，ADDRESS為串行數(shù)據(jù)輸入端用于輸入4位端口地址，DATAOUT為A/D數(shù)據(jù)輸出端，I/OCLOCK為數(shù)據(jù)輸入輸出提供同步時(shí)鐘，芯片內(nèi)部有一個(gè)14通道多路選擇器，可以選擇11路模擬輸入通道和3路內(nèi)部自測(cè)電壓中的任意一路進(jìn)行測(cè)試，片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC置高，表明轉(zhuǎn)換完成。TLC1543具有高速轉(zhuǎn)換時(shí)間，高精度10位分辨率，最大1LSB不可調(diào)整誤差和低噪聲的特點(diǎn)。當(dāng)EOC為高時(shí)將CS置低A/D開始工作，由ADDRESS端送入4位地址的最高位B3在B3有效期間輸入一個(gè)I/OCLOCK信號(hào)，將地址最高位移入A/D地址寄存器，同時(shí)從DATAOUT端口讀出前一次采樣轉(zhuǎn)換的10位數(shù)據(jù)的最高位A9，然后送入B2，同時(shí)輸入一個(gè)I/OCLOCK信號(hào)，將B2移入A/D地址寄存器，從DATAOUT讀出A8，按此時(shí)序進(jìn)行直到將4位地址送入A/D，同時(shí)讀出前一次采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的A9、A8、A7、A6高四位，然后輸入6個(gè)I/OCLOCK信號(hào)，將A5A0讀出，10個(gè)I/OCLOCK信號(hào)后，EOC將置低此時(shí)A/D進(jìn)入轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換完成后EOC置高。3.1.2單片機(jī)與TLC1543芯片的接口方法TLC1543的三個(gè)控制輸入端CS、CLOCK、ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，51系列單片機(jī)未內(nèi)置SPI接口，不過僅需通過軟件模擬SPI協(xié)議即可硬件方面將TLC1543的CS、CLOCK、ADDRESS、DATAOUT、EOC五個(gè)端口與AT89C52的5個(gè)I/O口相連接AT89C52的其余27個(gè)I/O口足以完成其它功能。采樣電路連接如圖3所示，僅占用P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4端口就實(shí)現(xiàn)了具有10路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、容易擴(kuò)展、精度高、武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書6高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4分別與EOC、時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、片選端分別相連。圖3TLC1543與單片機(jī)的連接3.2數(shù)字量的輸入采集設(shè)計(jì)數(shù)字量可直接與單片機(jī)的I/O口相連進(jìn)行采集，但考慮到有20路數(shù)字量，管腳利用量較多，可采用74ls165芯片進(jìn)行并行采集，串行輸出，減少管腳用量。3.2.1數(shù)字量的得到通過接地和和接5V電源將可得到數(shù)字量：圖4數(shù)字量的得到武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書73.2.274ls165功能介紹74LS165芯片是8位并行輸入串行輸出移位寄存器，使用此芯片可以擴(kuò)展一個(gè)或多個(gè)8位并行I/O口。引腳圖如下圖：圖574ls165的引腳圖74ls165有16個(gè)引腳，引腳功能如下：D0-D7:并行輸入端，可同時(shí)輸入8路電平信號(hào)。SH:數(shù)據(jù)置入控制端，當(dāng)其為低