“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換成數(shù)字量后，再由計算機進行存儲,、處理,、顯示和打印的過程，相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
本文的主要任務是對0～5V的直流電壓進行測量并送到遠端的PC機上進行顯示,。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,，該芯片轉換速度快，價格低廉,，可以直接將直流電壓轉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,，設計時還設置了鎖鍵功能,，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,。軟件設計方面則采用功能模塊化的設計思想；鍵盤模數(shù)轉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)的硬件結構
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構一般由信號調(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)硬件設計框圖
2 ADC0809模數(shù)轉換器簡介
2．1 ADC0809的結構功能
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)傳感器轉換成電信號后,，需要模／數(shù)轉換將其變成數(shù)字信號才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進行處理和控制，因此,，把模擬量轉換成數(shù)字量輸出的接口電路,，即A／D轉換器就是現(xiàn)實信號轉換的橋梁。
目前,，世界上有多種類型的A／D轉換器,，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轉換器，該類A／D轉換器轉換精度高,，速度快,，價格適中，是目前種類最多,，應用最廣的A／D轉換器,。逐次逼近型A／D轉換器一般由比較器、D／A轉換器,、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轉換器，其內(nèi)部結構如圖2所示,。該芯片由8路模擬開關,、地址鎖存與譯碼器、比較器,、8位開關樹型D／A轉換器,、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轉換器(即分辨率8位)，具有轉換起?？刂贫?，轉換時間為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,，工作溫度范圍為-40～+85℃功耗可抵達約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～IN7：8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轉換啟動信號,，輸入,，高電平有效；
EOC：A／D轉換結束信號,，輸出,，當A／D轉換結束時，此端輸出一個高電平(轉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A／D轉換結束時,，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位,；下降沿則啟動A／D轉換,，之后，EOC輸出信號變低,，以指示轉換正在進行,，直到A／D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉換結束,，并將結果數(shù)據(jù)存入鎖存器，這個信號也可用作中斷申請,。當OE輸入高電平時,，ADC的輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量可輸出到數(shù)據(jù)總線,。
A／D轉換器的位數(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,，相應通道的模擬量經(jīng)過多路模擬開關送到A／D轉換器,。啟動信號START上升沿復位內(nèi)部電路，START的下降沿啟動轉換，此時轉換結束信號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,，模擬輸入量應維持不變,，比較器要一次次比較，直到轉換結束,，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準都是在RS-232標準的基礎上經(jīng)過改進而形成的,。RS-323C標準是美國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。這個標準對串行通信接口(如信號線功能,、電器)特性都作了明確規(guī)定,。由于通行設備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設備，因此,，它作為一種標準,，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),，負電壓)電壓為-3V～-15V,。
以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。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的電壓也認為無意義,，因此,，實際工作時，應保證電平在±(3～15)V之間,。
對于EIA-RS-232C與TTL的轉換,，由于EIARS-232C是用正負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電路之間進行電平和邏輯關系的變換,。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設備進行連接,，就必須使用專門的電纜線,。
設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為15m(50英尺),。
根據(jù)RS-232C標準規(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,，本接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅動器的負載電容應小于2500pF,。
3．3 單片機與MAX232的連接
MAX232是一種雙組驅動器／接收器,，該芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉換。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,。每個接收器都應將EIA／TIA-232-E電平轉換為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,。每個驅動器都應將TTL／CMOS輸入電平轉換為EIA／TIA-232-E電平。所有的驅動器,，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準單元,。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,，但設計時應注意發(fā)送與接收的對應,。
4 結束語
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轉換器將0～5V的直流電壓轉換為計算機可以進行處理的數(shù)字信號,，然后經(jīng)過單片機對其進行處理，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)進行顯示及對下位機的控制等功能,。