“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示和打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本文的主要任務(wù)是對0～5V的直流電壓進(jìn)行測量并送到遠(yuǎn)端的PC機上進(jìn)行顯示。由于采集的是直流信號，對于緩慢變化的信號不必加采樣保持電路，因此選用市面上比較常見的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉(zhuǎn)換速度快，價格低廉，可以直接將直流電壓轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字量。同時選用低功耗的LCD顯示器件來滿足其在終端顯示采集結(jié)果的需求。終端鍵盤控制采用盡可能少的鍵來實現(xiàn)控制功能，為了防止鍵盤不用時的誤操作，設(shè)計時還設(shè)置了鎖鍵功能，在鍵盤的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來降低硬件開銷，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件設(shè)計方面則采用功能模塊化的設(shè)計思想；鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用中斷方式來實現(xiàn)，從而大大提高了單片機的效率以及實時處理能力。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般由信號調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A／D轉(zhuǎn)換器以及單片機等組成。本文主要完成功能的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖
2 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介
2．1 ADC0809的結(jié)構(gòu)功能
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計算機作為處理器。電子計算機所處理和傳輸?shù)亩际遣贿B續(xù)的數(shù)字信號，而實際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，需要模／數(shù)轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因此，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路，即A／D轉(zhuǎn)換器就是現(xiàn)實信號轉(zhuǎn)換的橋梁。
目前，世界上有多種類型的A／D轉(zhuǎn)換器，如并行比較型、逐次逼近型、積分型等。本文采用逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，該類A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高，速度快，價格適中，是目前種類最多，應(yīng)用最廣的A／D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器一般由比較器、D／A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。
ADC0809就是一種CMOS單片逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力。該器件既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。
ADC0809是8路8位A／D轉(zhuǎn)換器(即分辨率8位)，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時間為100μs采用單+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V，且不需零點和滿刻度校準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40～+85℃功耗可抵達(dá)約15mW。
ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，圖3所示是其引腳排列圖。各引腳的功能如下：
圖3 ADC0809的引腳排列圖
IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端；
D0～D7：8位數(shù)字量輸出端；
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；
ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效；
START：A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效；
EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)；
OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平才能打開輸出三態(tài)門，輸出為數(shù)字量；
CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高640kHz；
REF(+)、REF(-)：基準(zhǔn)電壓；
Vcc：電源，單一+5V；
GND：地。
ADC0809工作時，首先輸入3位地址，并使ALE為1，以將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼可選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位；下降沿則啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后，EOC輸出信號變低，以指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入鎖存器，這個信號也可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，ADC的輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量可輸出到數(shù)據(jù)總線。
A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。對于8通道的輸入信號，其分辨率為0．5％。8位A／D轉(zhuǎn)換器的精度為：
2．2 ADC0809的工作時序
圖4所示是ADC0809的工作時序圖。從該時序圖可以看出，地址鎖存信號ALE在上升沿將三位通道地址鎖存，相應(yīng)通道的模擬量經(jīng)過多路模擬開關(guān)送到A／D轉(zhuǎn)換器。啟動信號START上升沿復(fù)位內(nèi)部電路，START的下降沿啟動轉(zhuǎn)換，此時轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC呈低電平狀態(tài)，由于逐位逼近需要一定過程，所以，在此期間，模擬輸入量應(yīng)維持不變，比較器要一次次比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時變?yōu)楦唠娖?。若CPU發(fā)出輸出允許信號OE(輸出允許為高電平)，則可讀出數(shù)據(jù)。另外，ADC0809具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，同時受溫度影響也較小。
2．3 ADC0809與MCS-51單片機的接口電路
ADC0809與MCS-51系列單片機的接口電路如圖5所示。圖中，74LS373輸出的低3位地址A2、A1、A0加到通道選擇端A、B、C，可作為通道編碼。其通道基本地址為0000H～0007H。8051的WR與P2．7經(jīng)過或非門后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2．7經(jīng)或非門后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機的P3．3(INT1)。
3 單片機與PC機的互連
目前的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。RS-323C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會)與BELL等公司一起開發(fā)通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b／s范圍內(nèi)的通信。這個標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口(如信號線功能、電器)特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機通信接口中廣泛采用。
3．1 電氣特性
EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上，邏輯1(MARK)電平為-3V～-15V，邏輯0(SPACE)電平為+3～+15V；而在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上，信號有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)電壓為+3V～+15V，信號無效(斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)電壓為-3V～-15V。
以上規(guī)定說明了RS-323C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)(信息碼)：邏輯“1”(傳號)的電平低于-3V，邏輯“0”(空號)的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)(ON)即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是說，當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V時，電路才可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義。低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實際工作時，應(yīng)保證電平在±(3～15)V之間。
對于EIA-RS-232C與TTL的轉(zhuǎn)換，由于EIARS-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，它與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或與終端的TTL器件連接，就必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。
3．2 DB-9連接器
DB-9連接器作為提供多功能I／O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。由于DB-9型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若要與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備進(jìn)行連接，就必須使用專門的電纜線。
設(shè)計時對電纜長度的要求是在通信速率低于20kb／s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離應(yīng)為15m(50英尺)。
根據(jù)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4％的情況下，DTE和DCE之間的最大傳輸距離為15m(50英尺)。由于這個最大距離是在碼元畸變小于4％的前提下給出的。因此，為了保證碼元畸變小于4％的要求，本接口標(biāo)準(zhǔn)在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負(fù)載電容應(yīng)小于2500pF。
3．3 單片機與MAX232的連接
MAX232是一種雙組驅(qū)動器／接收器，該芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。其片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器，可以在單+5V伏電壓供電時提供EIA／TIA-232-E電平。每個接收器都應(yīng)將EIA／TIA-232-E電平轉(zhuǎn)換為5VTTL／CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收30V輸入。每個驅(qū)動器都應(yīng)將TTL／CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA／TIA-232-E電平。所有的驅(qū)動器，接收器及電壓發(fā)生器都可以在德州儀器公司的元件庫中得到標(biāo)準(zhǔn)單元。MAX232的工作溫度范圍為0～70℃。
圖6所示是MAX232芯片的工作電路圖。在實際應(yīng)用中，該器件對電源的噪聲很敏感。圖中的四個取同樣數(shù)值的電解電容(1．0μF／16V)，用以提高抗干擾能力。本設(shè)計可從MAX232芯片中的兩路發(fā)送接收器中選用一路作為接口，但設(shè)計時應(yīng)注意發(fā)送與接收的對應(yīng)。
4 結(jié)束語
本文給出了一個基于AD0809和單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法，該方法在終端采用8051單片機為核心來控制數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)上傳工作，并通過A／D轉(zhuǎn)換器將0～5V的直流電壓轉(zhuǎn)換為計算機可以進(jìn)行處理的數(shù)字信號，然后經(jīng)過單片機對其進(jìn)行處理，從而完成在終端顯示以及將數(shù)據(jù)上傳等功能。系統(tǒng)中的上位機完成對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及對下位機的控制等功能。