在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、控制和科學(xué)研究領(lǐng)域中,，對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)如溫度,、壓力及振動等參數(shù)進(jìn)行采集,、傳輸和處理是必不可少的組成部分。將溫度,、壓力,、流量、位移等模擬信息采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后,，再由計算機進(jìn)行存儲,、處理、顯示或打印的過程就是數(shù)據(jù)采集,，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。高性能微控制器W77E58具有功耗低、體積小,、功能強大等優(yōu)點,，非常適用于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集和現(xiàn)場控制。

1 采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器,、調(diào)理電路,、A／D轉(zhuǎn)換電路、微控制器,、通信模塊,、計算機(PC機)等幾大模塊組成。如圖1所示,。外部世界,、現(xiàn)場等的各種參量是模擬量，傳感器的作用是把這些模擬量轉(zhuǎn)化為電信號模擬量(可以是電壓,，也可以是電流,、電脈沖)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路再把這些電信號模擬量送給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A／D轉(zhuǎn)換器),，使這些模擬量轉(zhuǎn)化為可以讓微控制器識別處理的數(shù)字信號,，最后經(jīng)過通信模塊，微控制器將采集到的信號傳給PC機,，PC機人機接口界面負(fù)責(zé)控制,、存儲和處理采集到的數(shù)據(jù)。


實際應(yīng)用中,，因傳感器的輸出信號多為弱信號,，信號與采集系統(tǒng)的距離相對較長，為防止信號的嚴(yán)重衰減,，采用電流信號傳輸,；在信號接收端，通過I／V轉(zhuǎn)換電路,，再把信號復(fù)原成電壓信號,，經(jīng)過放大,、濾波等調(diào)理電路后，送到A／D轉(zhuǎn)換器,，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 I／V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
為減小電阻本身的噪聲和受環(huán)境的影響，采用40歐1％精密小電阻將4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為0．144～0．72 V的電壓信號,。如圖3所示,，電容C1用于濾除高頻噪聲。


2．2 采集電路設(shè)計
對于每一個采集對象,，都要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，在輸入信號數(shù)目很多時，需要使用多路模擬開關(guān)輪流將多個模擬量依次接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。在本設(shè)計中選用的多路模擬開關(guān)是CD4051,，A／D轉(zhuǎn)換器選用了美國MASIM公司的MAX197芯片，MAX197采用逐行逼近工作方式,，內(nèi)部的輸入跟蹤／保持電路把模擬信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量輸出,。


圖4是采集系統(tǒng)的一路模擬信號經(jīng)過濾波電路、多路選擇開關(guān)和A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控制器的電路圖,。單片機W77E58的P0口與MAX197的D0～D7相連,，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù),。用W77E58單片機的P2．4作為MAX197的片選,。選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平,。采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓,，所以REFADJ和REF均接低電平。W77E58單片機的P2．6腳用做判讀高,、低位數(shù)據(jù)的選擇線,。直接與HBEN腳相連。MAX197的腳與W77E5S8的P2．5相連,，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束和準(zhǔn)備讀輸出數(shù)據(jù)時,，變低。在電路中,，AGND和DGND應(yīng)相互獨立,，各種電源與模擬地之間都用0．1μF電容來消除電源的紋波。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
模擬量采集程序的設(shè)計主要分為3個階段,。第1階段為A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序設(shè)計,，第2階段為模擬量數(shù)字濾波程序設(shè)計，第3階段是A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果處理的程序設(shè)計,。
3．1 A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序設(shè)計
硬件電路中MAX197芯片用于采集模擬量,，MAX197控制字格式如表1所示。


A2,，A1,，A0通過不同0，1組合選擇8路模擬量中的某一路,；RNG和BIP的0,，1組合確定所采集模擬量的范圍，最大為±15 V,；ACQMOD決定MAX197采用內(nèi)部采集模式還是外部采集模式,；PD0和PD1組合決定選擇正常工作模式還是低功耗工作模式。具體程序如下：


3．2 數(shù)字濾波
為保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)確性,，需對模擬量A／D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波處理,。在程序設(shè)計中采用了中位值平均濾波法。對每個模擬量連續(xù)采樣n次,，求出n次采樣結(jié)果之和,，去掉其中最大值xmax和最小值xmin，然后求剩下n-2個數(shù)平均值,，以作為該模擬量的實際值,。
3. 3 采集結(jié)果修正
模擬量的參考值是實際的運行參數(shù)，所以需要把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的變換關(guān)系修正為實際值,，然后再執(zhí)行狀態(tài)判斷操作,。

4 結(jié)束語
筆者設(shè)計的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)對多路信號進(jìn)行實時監(jiān)測，可通過串口將數(shù)據(jù)傳至計算機并顯示,，此系統(tǒng)在應(yīng)用時配上不同的傳感器及相應(yīng)的處理電路,，稍加改動，便可在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，因而具有較高的實用性,。