[科普中国]-便携式数据采集系统

简介

随着科技的进步，技术要求的提高，数据采集系统的应用也越来越广泛，同时对数据采集系统的精度、分辨率、输入范围、采样率、控制方式等技术指标要求越来越高。今天，数据采集技术已经在通信、遥感、雷达、无损检测、语音处理、水声、地质勘测、振动工程、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域得到了广泛的应用，并收到良好的效果。1

便携式数据采集系统是一种简单、经济、实用的处理零星分散数据的微机系统。若根据具体应用的要求，对该系统进行改进，则它可得到更加广泛的应用。2

系统组成便携式数据收集器1.特点

便携式数据收集器使用最少的硬件和优化的软件实现了所需的功能，它的体积和重量与普通的袖珍式半导体收音机相当，携带十分方便；它的功耗很低，工作电压范围较大，用电池供电；它对温度，湿度等条件要求低，使用不受环境条件的限制。2

2. 特点

（1）以市售袖珍式计算器作为人机联系手段，通过键盘和显示器可准确无误的收集和存贮数据。

（2）数据存贮容量为16K×8bit，并且有掉电维持信息功能，即当工作电源断电后，存贮器中的信息不改变、不丢失。另外，还可用一般音频录音机作为外辅助存贮设备。

（3）具有自检能力，可自行对主要硬件及软件进行故障诊断,并可报警。

（4）实现了与APPLEII、IBM PC微机间的数据通讯。2

3.硬件和软件

硬件的选择直接决定了仪器的性能特点。因此，正确选择硬件是至关重要的。虽然集成电路有多种类型，但CMOS电路最适用于本仪器。因为，与其它电路相比，它具有低功耗、高抗干扰能力、宽的电源电压范围和工作温度等一系列优点。2

通常，小型仪器应选用能提供所需能力而没有或具有最少附加组件的微处理器。综合考虑单片机，通用微处理器、位片微处理器三种常用装置各自的特点，本仪器选用单片机80C35作为其微处理器。鉴于80C35单片机片内无程序存贮器，及有64×8bit数据存贮器，因此,用一片程序存贮器27C16和两片静态数据存贮器HM6264扩展单片机80C35组成一个微处理器系统。

（1）80C35单片机的系统

该系统是整个仪器的核心部分，它肩负着控制仪器、输入、存贮和传送数据的重任。它由80C35、27C 16EPROM、HM6264 RAM、74HCT373所组成。2

（2）袖珍式计算器接口

该接口由11芯插件、光电偶合器和行、列总线缓冲器组成。通过该接口，单片机可对计算器的键盘扫描，从而输入数据，同时又不影响计算器本身的功能。当键盘无任何键闭合时，其各行、列对应的光电偶合器不导通，输出为高电平；当有键闭合时，其对应的行、列光电偶合器导通，输出由高电平变为低电平，单片机通过总线缓冲器不断对行、列光电偶合器的输出扫描并根据其逻辑状态确定键盘操作，此即为键盘扫描原理。

众所周知，键操作存在抖动、重键、串键等问题。若不解决这些问题则会产生误码。为此，作者利用软件延时及查询的方法有效可靠的解决了这些问题。又由于计算器本身的特点，如，只显示8位数，只显示一个小数点等。为使显示内容和单片机扫描译码内容完全一致，在软件设计中采取了查询并比较的措施以确保输入数据的可靠性。2

（3）普通音频录音机接口

由于单周期调制方式的解调、调解电路简单易于实现并可获得较高的数据传输速率和可靠性，所以它被采用。

调制电路由触发器和电阻分压器构成，其原理是：单片机借助输出触发脉冲的时间间隔来控制触发器输出方波的周期大小从而实现对数字“1”、“0”的周期调制。解调电路由移位寄存器和整形电路构成，其原理是：单片机对整形输入信号反复电平采样，并将采样值移入移位寄存器中，采样一次对移位寄存器的内容判断一次，看是否对应于两个完整调制方波的分界点，然后根据两个分界点间的时间与预先确定的判别值之间的大小关系解调出数字“1”、“0”。

软件设计中采用水平垂直偶校验和重复两遍调制的方法实现了数据的检错、纠错能力，使其具有很高的可靠性。2

（4）微机通讯接口

该接口实际上是一个18线的电缆连接器，其作用就是引出单片机系统的有关信息线，利用通讯接口板与微机通讯。2

便携式数据收集器与微机间的并行通讯接口板该接口由可编程并行口、双向总线收发器、总线缓冲器、或门构成。利用该接口通讯时，单片机采用中断方式，微机采用查询方式很好的解决了两个不同时钟系统通讯时的匹配问题。

其工作原理为：微机不断对单片机系统的状态进行查询，若单片时机系统未作好通讯准备则继续查询；若已作好准备则微机就向接口通讯，于是接口电路便使单片机产生中断并开始通讯。以一字节为单位通讯，直到结束。

微机方的通讯程序可用汇编语言编写。也可用BASIC语言编写。程序中采取了有效措施使得通讯接口板能用于微机的任一有效外设扩展插槽中。2

两种微机间的通讯利用RS-232串行口实现了APPLEII、IBM PC微机问的零调制解调器通讯。所谓零调制解调器实际上就是三条跨接电缆，其中两条分别将一方微机的数据输出端和另一方微机的数据输入端相连，另一条连接两微机的信号地。另外，双方微机的25芯联接器的第4、5、8脚短接，6、20脚短接。

通讯规定4800bps的数据传送速率和8位数据位、2位停止位、无校验位的数据格式。采用接受方控制通讯操作的方式，即一旦发送方开始运行通讯程序，则整个过程由接受方控制。2

硬件电路设计作者设计了一种便携式数据采集系统的硬件电路，以80C552单片机作为核心，同时运用80C552单片机的串行接口电路来设计数据存储器和程序存储器的扩展、信号的显示以及低通滤波电路。1

系统硬件电路结构系统硬件电路的结构主要有：

（1）滤波放大电路单元：主要用于把从传感器输出的电压信号进行过滤，以便滤去干扰信号以及放大有用信号，采用LM324运算放大器组成的一阶有源滤波电路。

（2）最小系统单元：在这部分中，主要介绍了80C552单片机内部没有程序存储器和满足便携式系统的足够大的数据存储器，因此，给出了基于80C552单片机外扩展程序存储器和数据存储器的连接图以及所选用的存储器。

（3）键盘和显示单元：在此单元电路中，选用了两个按键（主机复位按键和工作方式选择按键）以及4位LED显示器。由于按键数量较少，所以采用独立式接法，显示器采用共阴极接法。

（4）串行通信单元组成：介绍了80C552外扩MAX232E与标准接口总线RS-232的连接。1

系统硬件电路工作原理首先通过放大滤波电路把传感器输出的电压信号过滤（一阶有源滤波可以滤去干扰信号）同时放大成与80C552内部的A/D转换器兼容的电压信号，然后通过A/D转换送到显示器上显示，由于是便携式数据采集系统，还扩展了数据存储器以便在野外工作时使用。另外，还可以通过两个按键来对主机复位和进行工作方式的选择。1

单元电路设计主要包括：滤波放大电路设计单元、单片机最小系统设计、键盘与显示单元电路设计、串行通信接口设计。1

滤波放大电路设计单元在本系统中，输入信号往往存在一些干扰信号等不需要的信号，所以在设计过程中要将不需要的信号衰减到足够小的程度，或者利用某些电路将其分离出来，为此，可以设计放大滤波器。1

由LM324组成的放大滤波器电路中，由于有4个可以调节的电阻和4个可调节的电容，这样就可以改变滤波的放大倍数和滤波频率。传感器两路输出信号只需要在LM324内部的1个运算放大器即可，这样可以少用3个运放，从而节省系统空间，而且可以适用于更多不同频率的信号。1

单片机最小系统设计单片机最小系统设计包括单片机的选择，程序存储器和数据存储器的扩展。1

选用Philips公司80C51系列单片机中最出类拔萃的一款单片机80C552，指令系统采用MCS-5，其芯片增加了一个16位定时/计时器T2；一个8路模拟输入的10位A/D转换器；5个8位I/O端口和一个模拟输入共用的输入端口；总线串行口；全双工UART，与80C51的UART兼容和专用片内监视定时器T3等，现已广泛应用于仪器仪表、工业测控等领域。1

74LS373地址锁存器起到分离和保护地址A0~A7的作用，使用PSEN控制信号作为27C64存储器的读出控制，要求只能使用MOVC指令访问27C64存储器。在电路中，由于两种存储器都是P2口提供高8位地址，P0口提供8位低地址，所以它们的地址范围是相同的。为了避免造成操作上的混乱，PSEN信号来控制程序存储器的读操作，RD和WR信号分别控制数据存储器的读和写。1

由于80C552内部没有程序存储器，所以扩展一个8KB×8的程序存储器27C64.虽然80C552单片机内部有一个数据存储器，但只是动态RAM（需要不断刷新才能保存数据），所以基于便携式的思想，需要外扩一个才能保存数据的存储器，可选用8KB×8的EERROM 28C64用于存储并保存数据。1

键盘与显示单元电路设计显示电路只需要显示数据，故选用了4位的LED显示器和两个操作按钮。4位显示器采用共阴极连接方法，并且采用一个I/O控制4位段选线，所以在点亮的每个瞬间，4个LED显示器都会显示相同的字符。如果要使每个显示器都能显示不同的字符，就必须采用扫描的方法来轮流使4个LED显示器点亮，这样就能在一个瞬间只显示一个显示器。2个按钮的主要作用是使主机复位和工作方式的选择。1

串行通信接口设计通过MAX232E的TTL和RS-232的键入/输出端口自动地调节，从而使单片机串口的TTL信号和RS-232的串行通信信号的电平匹配。1

在RS-232直接传送通信系统中，只要将发送和接收双方同时做好准备，两方均用信号发送端（TXD），信号接收端和信号地这3根线就可以进行相互之间的通信。在80C552单片机系统中，分别从P3.0和P3.1引出串口线RXD和TXD通过专用的电平转换芯片转换成RS-232接口标准的电平，这样两者之间就可以通过RS-232接口进行数字信号的传送。单片机虽然可以以直接传送或应答握手的方式来进行数据之间的通信，但由于握手方式需要占用单片机数量有限的端口，所以计算机与单片机的通信常采用直接传送的方式。MAX232E通过一个DB9型连接器与PC机的COM口连接。单片机串行数据接收端RXD连接至MAX232E的输出端R1OUT，串行数据发送端连接至MAX232E的输入端T1IN。1