在工業(yè)控制過程中，需要對被控制對象的實時數(shù)據(jù)進行采集，并且根據(jù)采集數(shù)據(jù)的實際情況，對其進行實時的監(jiān)控以及遠程的控制，以完成相應的控制任務。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，對于控制的準確性判斷以及控制的實時性和穩(wěn)定性需求都很高，所以要有一種可以進行數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)，而且這種系統(tǒng)要能夠實現(xiàn)多通道、高精度以及大容量的要求。從這個角度來看，文中基于單片機與PC 通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設計研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的基本組成

1. 1 系統(tǒng)的基本架構

文中構建的基于單片機與PC 通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)基本架構如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)基本架構框圖

如圖1 所示，被控對象通過傳感器的作用，采集到相應的數(shù)據(jù)，經(jīng)過電壓轉換以及模擬/數(shù)字轉換之后，向單片機發(fā)送，單片機端可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的情況以及預先設置的程序，經(jīng)過繼電器向被控制對象進行具體的操作，同時也可以通過電平轉換芯片向PC 機發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。PC 機可以對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、處理，也可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來完善控制算法，然后經(jīng)過電平轉換芯片發(fā)送控制信號，遠程控制被控對象。

1. 2 系統(tǒng)硬件

此次研究中，對于系統(tǒng)的硬件構成主要有幾個非常重要的模塊。首先是微處理器模塊，射頻收發(fā)模塊，這2 個是核心模塊，另外的傳感器模塊、天線和電源管理模塊也是硬件構成中的重點。微處理器模塊采用的芯片是Atmega128L 低功耗微處理器，這種處理器主要是對數(shù)據(jù)進行采集，然后進行處理，而且對整個系統(tǒng)的功耗和任務進行控制管理，射頻部分為了能夠有效進行功耗的控制，所以采用的是比較節(jié)能的TI 的CC2420 芯片，這樣的設計使得FLASH 存儲對于低功耗產(chǎn)品的選擇也非常恰當。

傳感器部分要根據(jù)不同需求進行選擇，每種傳感器都有獨特的溫度、壓力和流量的傳感系統(tǒng)，所以對于一些非電量的信號，還得利用傳感器將其從電壓變換模塊轉化為整個模擬信號。

筆者在設計中，對于總體的成本和系統(tǒng)性能需求進行了考慮，對于目前采用的節(jié)點中心設計，擬定了Atmega128L 單片機來完成。Atmega128L 單片機對于數(shù)據(jù)采集和處理的完成，能夠在很惡劣的環(huán)境下進行，而且它還具備了非常強的節(jié)能能力，其功耗的參數(shù)也一樣，必須要在能夠滿足工作電壓1. 8 ~3. 6V、在2. 2V 的供電條件下能夠在7霢 的工作電流下穩(wěn)定運行在32kHz 的工作頻率。而單片機以及PC 機之間經(jīng)過電平轉換芯片的連接，才能夠工作，依靠這種方式來實現(xiàn)遠程通信。文中設計的系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)采集被控制對象的多種參數(shù)信息，并且將其傳遞至PC 機端，對相應數(shù)據(jù)進行處理，同時也能夠選擇通過PC 機來遠程控制被控制對象。

此次構件的系統(tǒng)射頻信號經(jīng)由天線向CC2420芯片傳輸。低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier,LNA） 在接收到相關的信號之后，將其轉化為2MHz中頻，使其形成同向分量以及正交分量兩路中頻信號。隨后，對這兩路中頻信號進行濾波以及放大處理，再從模擬信號轉化為數(shù)字信號。然后對其進行最終信道的選擇以及控制增益等處理。

為了確保存儲模塊部分能夠滿足系統(tǒng)的實際需求，不能夠僅僅依靠Atmega128L 內(nèi)部Flash 模塊，還需要串行一個外部Flash 模塊，并且借助該模塊類似實現(xiàn)掉電保護功能。具體地，可以借助于SPI 總線將外部Flash 模塊與Atmega128L 相連接。在具體的工作過程中，以Atmega128L 內(nèi)部存儲為主模式，而外部Flash 模塊AT45DB041B 為從模式。

A/D 數(shù)模轉換部分，采用的是11 通道12 位高速的TLC2543 轉換芯片，該芯片與單片機之間的通信是通過串口通信的方式來完成的，通過4 條信號線的連接就能夠實現(xiàn)通信的需求。這4 條信號線分別是片選信號CS、時鐘信號CLK、數(shù)據(jù)移出Dout、數(shù)據(jù)移入Din.

在單片機的顯示裝置部分，此次設計采用的是4 個共陽數(shù)碼管，對于段選數(shù)據(jù)線以及單片機采用一組I /O 端口對其進行連接，而對于位選數(shù)據(jù)線，則經(jīng)過ULN2003A 驅動芯片和單片一組I /O 端口進行連接。顯示控制部分，選用循環(huán)掃描的方式逐一點亮數(shù)碼管，然后進行高速的切換，利用人體的視覺暫留特性，使其看上去是4 根共陽數(shù)碼管在同時穩(wěn)定地顯示。

2 單片機與PC 機的通信連接與控制方式的選擇

2. 1 單片機與PC 機的通信連接

此次系統(tǒng)構建的基于單片機與PC 通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)在單片機與PC 機的通信連接方面，主要是采用串行通信的方式實現(xiàn)的，這種方式能夠將單片機在現(xiàn)場采集到的各種數(shù)據(jù)通過串行通信的方式傳輸給計算機，而同時，計算機也能夠通過這種方式實現(xiàn)自身對被控對象的遠程控制功能，文中設計的單片機與PC 機之間的通信電路如圖2 所示：

圖2 單片機與PC機之間的通信電路設計圖

如圖2 所示，在單片機端，其輸入和輸出電平均為TTL,與PC 機的串口之間存在不同的電氣規(guī)范，因此，必須通過電平轉換芯片使二者之間能夠達到一致。在這里設計了MAX232 芯片作為RS - 232電平以及TTL 電平之間的轉換芯片。圖2 之中的C4,C5,C6 以及C7 都是MAX232 芯片的電源變換電路的外接電容，而C8 電容則是電源的去耦合電容，以消除對電源噪聲的影響。在PC 機端其TXD信號是通過MAX232 芯片將RS - 232 電平轉換為TTL 電平，然后將具體的信號向單片機進行傳遞，而在單片機端，則是通過MAX232 芯片將TTL 電平轉換為RS - 232 電平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。而C1,C2以及Y1 則構成了單片機的外接晶振電路，電解電容C3 和電阻R1 構成單片機復位電路。

2. 2 單片機與PC 機控制方式的選擇

在對于單片機控制方法的選擇上多是采用開關的方法，在開關打到不同位置并且能夠對應引起不同引腳電壓的過程中，要能夠對PC 機的遠程控制模式和單片機的本土控制模式進行不同位置的打開，這樣才能夠判斷好單片機運行的模式，從而判斷當前是處于PC 機的遠程控制模式還是處于單片機的本土控制模式。如果選擇的是前者，則PC 機根據(jù)自身內(nèi)置的算法庫中的算法程序對當前的數(shù)據(jù)進行分析，然后將得出的操作指令向單片機發(fā)送，再由單片機根據(jù)內(nèi)置的指令，進行操作。選擇后者則是單片機根據(jù)其采集到的實時數(shù)據(jù)，與預先內(nèi)置的參數(shù)相對應，從而選擇不同的預案，以便對被控對象進行操控。一般地，選擇前者能夠實現(xiàn)更為精確的算法控制，但是其復雜程度也就更高，而后者的操作簡便，精度相對就比較有限。具體地，用戶在不同的應用環(huán)境之下，可以根據(jù)自身的實際需要來選擇不同的控制模式，從而提高系統(tǒng)的靈活性。

3 系統(tǒng)軟件的設計

此次的系統(tǒng)軟件設計包括了單片機端以及PC機端，而且這兩個程序還分別運行于不同的實體之上。在單片機端，采用的是C51 對程序進行編寫，而對于PC 機端則采用的是VB 進行的程序編寫。

3. 1 單片機端程序設計

單片機的初始化，模擬信號和數(shù)字信號的轉換過程，都應該包含在單片機端口的程序設計中，對于信號和采集到的數(shù)據(jù)，以及和PC 機端口的通信程序等方面，都要進行合理的控制。系統(tǒng)的初始化主要是將系統(tǒng)的各個設備設定到初始狀態(tài)，或者中斷初始化。這樣才能完成模擬信號和數(shù)字信號之間的轉化，這些數(shù)據(jù)的采集都是利用軟件的模擬來完成的，而且這樣可以轉化數(shù)字信號，將模擬的信號轉化為單片機能夠識別的數(shù)字信號?？刂瞥绦驅纹瑱C自身的內(nèi)置控制算法和計算控制數(shù)據(jù)等運行的具體程序都進行了操控和指令的發(fā)送，而接收程序則是在接收到1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，就進行1 次中斷服務，然后繼續(xù)進行接受。

3. 2 PC 機端的程序設計

在PC 機端，一般開發(fā)的工具就是采用VB6. 0可視化開發(fā)工具，該部分的程序中主要是對于窗口的設計，系統(tǒng)初始化的設計，對于數(shù)據(jù)接受程序的設計，以及對于發(fā)送程序和文件存儲的程序以及控制算法內(nèi)容的設計。

文章主要介紹數(shù)據(jù)的采集和算法。數(shù)據(jù)在采集之后，一般要經(jīng)過長期的保存，而且在PC 機的端口，都是在具體的文件之中保存著數(shù)據(jù)，根據(jù)文件的具體類型來進行打開的處理。這種文件既可以是文本文件，也有可能是數(shù)據(jù)文件，只有這樣，才能夠在對控制對象進行遠程控制的時候完成相應數(shù)據(jù)的調(diào)取，然后利用控制算法進行計算，再將數(shù)據(jù)通過通信空間向單片機發(fā)送，單片機根據(jù)PC 機的指令具體執(zhí)行。

4 結語

文中主要是對于基于單片機和PC 機通信的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設計進行了研究，設計思路主要包括了選型、基本架構、軟硬件的選用設計等。此次構建的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)采集被控制對象的多種參數(shù)信息，并且將其傳遞至PC 機端，對相應數(shù)據(jù)進行處理，同時也能夠選擇通過PC 機來遠程控制被控制對象。該系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)量大、精度高、控制方式靈活等優(yōu)點。