基于單片微機(jī)的多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)江蘇石油化工學(xué)院姚 廣 平摘要 本文介紹一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 它以 8031CPU 為核心 ,配以 0809A D 轉(zhuǎn)換器件 , 以最小的硬件開銷 , 完成 8 道數(shù)據(jù)自動(dòng)巡回采集與顯示 , 適用于非快速變化信號(hào)的多路檢測。系統(tǒng)軟、硬件方案簡潔明了 , 易于實(shí)施。同時(shí) , 本文就以兼容芯片 89C2051CPU 為核心的系統(tǒng)也作了介紹。關(guān)鍵詞 單片微機(jī)多道數(shù)據(jù)采集A D 轉(zhuǎn)換一、引言許多場合需要多道數(shù)據(jù)采集與顯示 , 如 :測溫、測速、測功率等。設(shè)計(jì)高質(zhì)量、低成本的智能化二次測量儀表頗具意義。對(duì)于非高速測量場合 , 以 8031 (或 89C2051) 單片微機(jī)與 A D 轉(zhuǎn)換器件 ADC0809 的結(jié)合 , 將能出色完成任務(wù)要求。一個(gè)八位 8 通道的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng) , 只需極少的芯片 , 甚至是二片主要芯片 , 即可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo) , 且工作穩(wěn)定可靠。二、系統(tǒng)工作原理電路原理如圖 1 所示 , 主要組成器件有 :8031CPU、 ADC0809、地址鎖存器 373、 E2PROM 2732、四片 74164 及四只 L ED 八段數(shù)碼管。其中 8031、 373、 2732 構(gòu)成了一個(gè)基本的單片微機(jī)系統(tǒng)。ADC0809 為八通道 8 位 A D 轉(zhuǎn)換器件 , 單 + 5V 電源供電。輸入電壓范圍 0 5V ,轉(zhuǎn)換速度 100Ls。通過其引腳 1N 0 1N 7 可輸入 8 路模擬電壓 , 選中哪一路進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換 , 由地址碼決定 , 地址碼通過 A、 B、 C 三條地址線送入 , 由 AL E 鎖存后 , 譯碼選通內(nèi)部模擬開關(guān)。圖 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電原理圖 (8031)32計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制 1998 年第 1 期 (總第 20 期 ) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.系統(tǒng)中 ADC0809 作為單片機(jī)的一個(gè)擴(kuò)展 I O 口 , 其地址安排為 EF00H EF07H ,對(duì)應(yīng)選中八個(gè)信號(hào)輸入通道及數(shù)據(jù)輸出控制端 O E。 0809 的啟動(dòng)信號(hào) STA R T 和地址鎖存信號(hào) AL E 均由 8031 的寫信號(hào) W R 和高位地址 P114 (低電平有效 ) 經(jīng)過非門 7402 提供(負(fù)邏輯與非 )。 A D 的啟動(dòng) : 向 ADC0809 進(jìn)行一次寫操作 , 就啟動(dòng)了 A D。 (實(shí)際是 8031發(fā)出地址信號(hào)和 W R 信號(hào)后 , 通過與非門產(chǎn)生 0809 的地址鎖存信號(hào) AL E 通道地址和啟動(dòng)信號(hào) STA R T。 )0809 的數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào) O E 由 8031的讀信號(hào) RD 和地址信號(hào) P114 (低電平有效 )經(jīng)或非門 7402 提供 (負(fù)邏輯與非 )。 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端 EOL 連至 CPU P1 口的 P113端 , CPU 以查詢方式判斷 A D 是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。 0809 的時(shí)鐘輸入端 CL K 直接由 8031 的AL E 供給 , 省去了時(shí)鐘發(fā)生器 , 這里 CPU 的晶振為 6M H z, 則 AL E 為 1M H z, 滿足 0809的時(shí)鐘要求。系統(tǒng)中將 0809 的參考電壓R EF+ 安排成 + 215V , 這樣一方面提高了測量精度 , 同時(shí) , 使得顯示的數(shù)值與被測電壓的輸入值一致。但要求輸入信號(hào)電壓范圍為0 215V , 若需測量高于 215V 的信號(hào)電壓 ,輸入端應(yīng)接衰減電路。數(shù)據(jù)顯示共用 4 只 L ED 數(shù)碼管 , 數(shù)據(jù)位三只 , 分別顯示個(gè)位、十位、百位 ; 通道號(hào)一只 , 依次顯示 0 7 通道號(hào)。數(shù)碼管與 CPU間的接口用四片 8 位串行輸入、并行輸出電路 74164, 一方面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù) , 另一方面驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。由此帶來的好處是大量節(jié)省了 CPU的端口資源 , 系統(tǒng)中 , 僅用了 P1 口的 P111、P110 兩根線即完成了所有顯示數(shù)據(jù)的傳送。這樣 , 被空出的 CPU 端口可安排作其它用途 , 如 , 接打印機(jī)、進(jìn)行其它控制等。圖 1 中P111 為串行傳輸數(shù)據(jù)輸出端 , 連接至 74164的數(shù)據(jù)輸入端。 P110 產(chǎn)生位移脈沖提供給74L 164 的 CP 端 , P112 用以閃爍點(diǎn)燃二只發(fā)光二極管 , 作通道號(hào)與數(shù)據(jù)間的分隔符。 D 1、D 2、 D 3 三只相串的二極管起限流作用 , 以使數(shù)碼管電流值適當(dāng)。若以 89C2051 單片機(jī)為核心構(gòu)成同樣功能系統(tǒng) , 則由于有片內(nèi) E2ROM , 省去了地址鎖存器、外部 EPROM。如圖 2 所示。由于 89C2051 與 8031 的指令兼容性 ,因此 , 只需將由 8031 構(gòu)成的采集系統(tǒng)的指令圖 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電原理圖 (89C2051)42 基于單片微機(jī)的多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.稍作改動(dòng) , 便可作成由 89C2051 構(gòu)成的系統(tǒng)。二者比較 : 由于 8031 構(gòu)成的系統(tǒng)尚有不少空閑端口可用 , 所以為擴(kuò)展系統(tǒng)功能留下了余地 , 89C2051 單片機(jī)無外部數(shù)據(jù)、地址總線 , 只能利用 P1 口、 P3 口與外界打交道。由89C2051 構(gòu)成的系統(tǒng) , 端口資源已全被用盡 ,系統(tǒng)無擴(kuò)展其它功能的余地 , 且由于 P316不能使用 (已聯(lián)接片內(nèi)比較器 )。只能有效測量 0809 的四路信號(hào)。但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更簡單 , 且 89C2015 片內(nèi)的 EEROM 擦寫方便 ,能加密 , 芯片耗電省。三、軟件設(shè)計(jì)整個(gè)軟件系統(tǒng)由主程序和三個(gè)子程序構(gòu)成。軟件流程見圖 3。主程序包括建立八段數(shù)碼顯示表格 , 置數(shù)據(jù)指針 , 啟動(dòng) A D , 讀ADC0809, 二進(jìn)制 BCD 碼轉(zhuǎn)換等。子程序包括查表送數(shù) , 延時(shí)等。系統(tǒng)采用查詢方式判數(shù) 0809 是否 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)束 , 一旦查到結(jié)束信號(hào) , CPU 將讀取 0809 中的數(shù)據(jù) , 接著進(jìn)行二進(jìn)制 BCD 碼轉(zhuǎn)換 , 以進(jìn)行數(shù)據(jù)的個(gè)位、十位、百位顯示。顯示的過程是先通過查表 , 得到正確的顯示代碼 , 然后將此代碼串行傳輸給顯示電路。因 0809 為 8 位 A D ,最大顯示值為 256, 需三位數(shù)碼管 , 連通道號(hào)共 4 位數(shù)碼管 , 即每次串行傳輸四字節(jié)代碼。每次傳輸完以后 , 調(diào)用延時(shí)子程序 , 延時(shí)時(shí)間約 1 秒 , 然后改變通道號(hào)地址 , 重新啟動(dòng)ADC, 重復(fù)上述過程?？梢娒扛?1 秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集 , 依次從“ 0”通道到“ 7”通道 ,改變延時(shí)子程序的延時(shí)值 , 可改變采樣速度。四、系統(tǒng)程序清單ORG 0000HA JM P M A INORG 0900HM A IN : M OV 30, # 11H; 建八段字形表M OV 31, # 0D 7H;M OV 32, # 32H;M OV 33, # 92H;M OV 34, # 0D 4H;M OV 35, # 98H;M OV 36, # 18H;M OV 37, # 0D 3H;M OV 38, # 10H;M OV 39, # 90H;L JM P SSSS: M OV D PTR , # 0EF00H; 置“ 0”道地址M OV B, # 00HYY: M OV A , # 07HANL B, AM OV A , BM OV D PL , AM OV A , # 00H; 啟動(dòng) ADCM OV X D PTR , A ;AA : JB P113, BB; 查詢 ADC 結(jié)束信號(hào)A JM P AABB: M OV X A , D PTR; 取數(shù)據(jù)M OV R 0, # 00H; 二進(jìn)制 BCD 碼轉(zhuǎn)換M OV R 1, # 00H;LOO P1: CJN E A , # 64H , LOO P3;LOO P2: CL R C;SUBB A , # 64;IN C R 0;SJM P LOO P1;LOO P3: JN C LOO P2;LOO P4: CJN E A , # 0A H , LOO P6;LOO P5: CL R C;SUBB A , # 0A H;IN C R 1;SJM P LOO P4;LOO P6: JN C LOO P5;M OV 43, A ; 存?zhèn)€位M OV 42, R 1; 存十位M OV 41, R 0; 存百位M OV A , BM OV 40, A ; 存通道號(hào)IN C BL CALL DDL CALL T TL JM P YYDD: M OV A , 40L CALL HHM OV A , 41L CALL HHM OV A , 4252計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制 1998 年第 1 期 (總第 20 期 ) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 圖 3程序流程圖L CALL HHM OV A , 43L CALL HHRETHH: ADD A , # 30H; 傳送八段顯示代碼M OV R 1, A ;M OV A , R 1;M OV R 2, # 00H;CL R C;GG: RL C A ;IN C R 2;M OV P111, C;CL R P110;SETB P110;CJN E R 2, # 08H , GG;RET;T T: M OV R 7, # 05H; 延 時(shí)LOO P9: M OV R 5, # O FFH;LOO P7: M OV R 6, # O FFH;LLO P8: D EC R 6;CJN E R 6, # 00, LOO P8;DJN Z R 5, LOO P7;CPL P112;DJN Z R 7, LOO P9;RET;END五、結(jié)論該采集系統(tǒng)實(shí)際使用效果良好 , 分辨率為 :1L SB = V R E F28 21528 = 10m v精度為 : 12 1L SB = 5m v(下轉(zhuǎn)第 33 頁 )62 基于單片微機(jī)的多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.實(shí)際閘門時(shí)間 TT = T IM E 2 - T IM E 1則被測頻率 F XF X = NT = T IM ER 123 (T IM E 2 - T IM E 1)圖 4 8098 多周期同步測頻原理圖從測量原理可見 , 這種測量方法是用被測脈沖同步閘門 , 故不存在 + 1 誤差。實(shí)際的閘門時(shí)間 T 是第 N 個(gè)脈沖正跳變時(shí)刻和第一個(gè)脈沖正跳變時(shí)刻的差 , 因此 , 測量誤差主要是跳變時(shí)刻的測量誤差 , 這是由單片機(jī)的時(shí)鐘準(zhǔn)確度和定時(shí)器 T 1 的分辨率引起的 , 不隨被測頻率的變化而變化 , 所以該種方法也是等精度測量。41 注意的幾個(gè)問題(1) 由于受時(shí)鐘的限制 , 對(duì)于 12M H z 的時(shí)鐘 , 測頻上限為 500kH z;(2) 軟件編制時(shí) , 應(yīng)使第一個(gè)脈沖正沿到來至接通 T 2 計(jì)數(shù)時(shí)間等于第 N 個(gè)脈沖正沿到來至關(guān)斷 T 2 計(jì)數(shù)時(shí)間 , 以防止測高頻信號(hào)時(shí) , T 2 計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)1 孫涵芳、徐愛卿 M CS251 96 系列單片機(jī)原理及應(yīng)用北京航空航天大學(xué)出版社2 李仕學(xué)智能儀器國防科工委指揮技術(shù)學(xué)院(收稿日期 97207231) (上接第 26 頁 )長時(shí)間工程穩(wěn)定可靠 , 由于硬、軟件結(jié)構(gòu)簡潔 , 使得系統(tǒng)的維護(hù)、修改、再開發(fā)顯得便利。作為一種基本的多道數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng) , 具很好的應(yīng)用價(jià)值。 (系統(tǒng)的軟件開發(fā)、調(diào)試 , 使用江蘇啟東計(jì)算機(jī)廠的 Q TH 5298型單片微機(jī)開發(fā)機(jī) )。參考文獻(xiàn)1 陳建鐸等 ,單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 , 北京師范大學(xué)出版社 , 19872 何熙文