嵌入式系统开发课程多路数据采集系统设计样本.doc

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多路数据采集系统设计

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1 题目要求
所设计的数据采集系统, 共有16路信号输入, 每路信号都是0~10mV, 每秒钟采集一遍, 将其数据传给上位PC计算机, 本采集地址为50H。要求多路模拟开关用4067, A/D转换用ADC0809, 运算放大器用OP07, 单片机用89C51, 芯片用MAX232。
设计其电路原理图, 用C51语言编制工作程序。
2 总体方案设计
根据题目要求, 传感器首先采集16路信号, 然后被多路模拟开关4067选通某一路信号, 接着经过信号调理电路, 由A/D转换器进行模/数转换后发送给单片机, 之后经过MAX232由RS232串口进行通讯, 最终将数据传递到上位PC计算机。因此, 数据采集系统主要包括以下几个主要环节:
2.1 信号选通环节
由于题目要求采集的信号路数达到了16路, 每一路信号的流通路线均相同。如果为每路信号都设置相应的放大、 A/D转换单元, 成本将大幅度提升。因此能够接入一个多路模拟开关4076, 轮流选通每一路信号, 实现多路信号共用一个运算放大器和A/D转换单元, 即降低了成本, 又简化了电路。
4067为16路模拟开关, 其内部包括一个16选1的译码器和被译码输出所控制的16个双向模拟开关。当禁止端INH置0时, 在I/N0－I/N15中被选中的某个输入端与输出公共端X接通, 外部地址输入端A、 B、 C、 D决定了被选通端; 当INH置1时, 所有模拟开关均处于断路状态。
2.2 信号调理电路
为了方便信号的进一步传输和处理, 一般均要在传感器的输出端接入信号调理电路, 对传感器输出的信号进行变换、 隔离、 放大、 滤波等处理。此处的信号波动范围只有0～10mV, 属于微弱信号, 需要进行放大处理。按照题目要求, 本文设计的系统选用运算放大器OP07。OP07是一种高精的度单片运算放大器, 其输入失调电压和漂移值均很低, 适合用作前级放大器。
2.3 A/D转换器
由于单片机只能处理数字信号, 因此需要接入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。本文采用题目提供的ADC0809, 它能够和单片机直接通讯。ADC0809由一个8路模拟开关、 一个地址锁存与译码器、 一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道, 允许8路模拟量分时输入, 共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量, 当OE端为高电平时, 才能够从三态输出锁存器取走转换完的数据。
此处采用中断的方式使数据在单片机与ADC0809之间进行交换, 端口地址为FF50H; P0口和信号共同生成单片机的启动转换信号; 为了在启动转换的同时选通通道, 将通道地址锁存信号ALE与START相连; 把P0口和同时处在有效位的组合信号与A/D转换器的输出信号OE相连, 那么通道的地址选择和数据输出共用一个地址, 可是两者不同时出现; 转换结束信号EOC经过非门后接至89C51的端。
2.4 串口发送电路
RS232是用正负电压来表示逻辑状态, 与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接, 必须在RS232与TTL电路之间进行电平的转换。本文选用题目提供的MAX232芯片完成TTL, EIA的双向电平转换。
2.5 系统原理框图

通信模块
( MAX232、 RS232)
16路模拟信号输入
多路模拟开关( 4067)
运算放大器( OP07)

A/D转换器( ADC0809)
单片机( 89C51)
PC上位计算机

图 1 系统原理框图

3 电路原理图
根据上文叙述的设计方案的原理, 能够设计相应的硬件电路图, 如Error! Reference source not found.所示。

图 2 电路原理图
4 程序设计方案
根据前文所述, 要实现题目要求, 系统程序要包含3个主要模块, 即初始化系统、 A/D转换模块以及数据通信模块。程序的总体流程图如Error! Reference source not found.所示。
图 3 程序总体流程图
系统初始化
A/D转换
数据通信
系统中断

系统初始化完成以及选通某一路模拟信号时, 单片机启动A/D转换器, 对信号进行的读取、 存储操作。当上位机发出请求且要求的地址为50H时, 单片机进入中断处理子程序, 上传数据。
4.1 系统初始化
主要完成定时器, 串行通信, 中断的相关设置。
( 1) 定时器T0工作于模式1, 充当16位定时器, 计数初值4C00H( 对应50ms) , 便于实现1s的巡回采样; 定时器T1工作于模式2, 充当波特率发生器, 计数初值FDH, SMOD＝0, 得到波特率为9.6K。
( 2) 串行通信SMOD置1, 允许单片机接收信号。
( 3) 使能定时器T0、 外中断1、 串行通信的中断。其中, T0中断完成1s的巡回采样, 外中断1完成A/D转换, 串行通信中断完成与上位机的通信。
4.2 A/D转换
( 1) 用P1.4作为4067的使能控制; 用P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3的组合状态作为4067的通道地址选择信号。
( 2) 用P2.7作为A/D转换器的使能控制, 数据从IN0输入, 地址映射为7FF0H。
( 3) 经过外部中断1巡回采集16路信号, 并存入从50H开始的后续单元里。
4.3 数据通信
当数据转换完成后, 由单片机向上位机发送联络信号AAH, 然后等待上位机返回应答信号: 如果应答信号为BBH, 则向上位机发送数据; 反之则继续发送联络信号, 并等待应答。为了避免意外情况导致的死循环, 因此加入了1s的超时验证, 以保证下一次的巡回采样得以顺利进行。
5 源程序代码
/********************************************************************
* Filename: program.c
* Programmer: 李博 ********************************************************************/
/***************************头文件**********************************/
#include "reg52.h"
#include "absacc.h"
/**************************宏定义***********************************/
#define uchar unsigned char
#define IN0 XBYTE[0x7FF0] //定义ADC0809的IN0口地址
#define P27 P2^7 //P2.7口,作为ADC0809的使能信号( 低电平有效)
#define channel P1 /*P1.4作为4067的使能信号( 低电平有效) , P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3作为通道选择*/
#define E4067 p1^4 //4067使能控制端口( 低电平有效)
/**************************全局变量***********************************/
uchar data *result=0X50; //A/D转换的结果存入0X50及其后续地址单元
uchar T0_count; //定时器T0计数, 实现1s延时
/*********************系统初始化函数initial()***************************/
void initial()
{
/**************************定时器初始化*******************************/
TMOD=0X21; /*定时器T0工作于模式1, 充当16位定时器; T1工作于模式2, 充当波特率发生器*/
TL0=0X00; //定时器T0的计数初值设为4C00H( 对应50ms)
TH0=0X4C;
TL1=0XFD; //定时器T1的计数初值设为FDH, SMOD=0, 对应波特率9.6K
TH1=0XFD;
T0_count=20; //利用1s=50ms×20,实现1s的延时程序
/**************************串行通信初始化*****************************/
SMOD=0X00 ; //波特率的SMOD＝0
SCON=0X50 ; //工作于方式1,使能接收(REN==1)
/**************************中断初始化*********************************/
IT1=1; //设置外中断1中断请求信号为下降沿
IE=0X96; //允许中断:定时器T0、 外中断1、 串行通信
TR0=1; //启动T0
TR1=1; //启动T1
}
/**********************************************************************
******************* AD 转换函数ADC0809()*****************************
**********************************************************************/
void ADC0809()
{
channel=0X00 ; //使能4067,同时选择到channel1
sbit ADC_flag; /*标志位:中断响应前为0,循环等待转换
结束;转换结束后,进入中断,置1*/
uchar i;
for(i=0;i<16;i++)
{
ADC_flag=0; //中断响应前为0,以便循环等待转换结束
IN0=0; //经过P2.7==0 和启动AD转换
while(!ADC_flag); /*AD 转换结束后,进入中断程序,执行,flag置1,跳出循环,继续执行下面的语句*/
*(result+i)=IN0; //把转换结果存入89C51的RAM中
channel=i; //选中下一路通道
}
p27=1; //4067不使能,A/DC不使能
E4067=1;
}
/****执行完后,channel=15,result仍指向50H,4067不使能,ADC不使能**********/

/**********************************************************************
********************串行通信函数RS232()*******************************
**********************************************************************/
void RS232()
{
uchar i;
uchar data *receive=0X60; //把60H作为接受上位机信号的存储单元
*receive=0X00; //在60H单元中放入初值00H
SBUF=0XAA; //向上位机发送AAH作为联络信号
while(TI==0); //等待发送完成,并置TI为0,以等待下一次发送
TI=0;
while(RI==0&&T0_count!=0); /*等待上位机的应答信号***并加入加入1s 超时的判断***/
if(T0_count!=0)
{
RI=0;
*receive=SBUF; //把接受到的应答信号存入receive
if(receive==0XBB) //上位机准备好接收数据,向上位机传送数据
{
ET0=0; //关掉T0中断,保证在传送数据的过程中不进行下一次采样
for(i=0;i<16;i++)
{
SBUF=*(result+i);
while(TI==0);
TI=0;
}
ET0=1; //开启T0 中断
}
}
}

/**********************************************************************
**************A/DC转换INT1中断,向单片机传送数据*********************
**********************************************************************/
void INT_ADC() interrupt 2
{
ADC_flag=1;
}

/**********************************************************************
*******************定时器T0 中断,实现1s 定时**************************
**********************************************************************/
void INT_T0() interrupt 1
{
TL0=0X00 ; //定时器T0 计数初值4C00H( 对应50ms)
TH0=0X4C;
T0_count--;
}

/**********************************************************************
*************************主函数main ()*********************************
**********************************************************************/
void main()
{
initial(); //初始化
while(1)
{
ADC0809(); //AD 转换
do
{
RS232(); //数据传送
} while(T0_count);
T0_count=20;
}
}
6 小结
经过学习《嵌入式系统及其电路的开发设计》这门课程, 我对单片机、 DSP等嵌入式系统的核心, 及其外围接口的相关电路有了更加深入的了解。本次大作业设计到了单片机89C51芯片的大部分接口, 中断、 I/O口、 A/D转换、 串口通信等有涉及。经过电路板和程序的设计, 对单片机系统的开发流程有了一定的认识。可是本次设计都是理论层面的, 没有进行实物连接和调试。课程之余, 还需借助硬件资源完成这一部分的工作。