便攜式數據採集系統

隨着科技的進步，技術要求的提高，數據採集系統的應用也越來越廣泛，同時對數據採集系統的精度、分辨率、輸入範圍、採樣率、控制方式等技術指標要求越來越高。今天，數據採集技術已經在通信、遙感、雷達、無損檢測、語音處理、水聲、地質勘測、振動工程、智能儀器、工業自動控制以及生物醫學工程等眾多領域得到了廣泛的應用，並收到良好的效果。 ^[1] 

便攜式數據採集系統是一種簡單、經濟、實用的處理零星分散數據的微機系統。若根據具體應用的要求，對該系統進行改進，則它可得到更加廣泛的應用。 ^[2] 

便攜式數據收集器

1.特點

便攜式數據收集器使用最少的硬件和優化的軟件實現了所需的功能，它的體積和重量與普通的袖珍式半導體收音機相當，攜帶十分方便；它的功耗很低，工作電壓範圍較大，用電池供電；它對温度，濕度等條件要求低，使用不受環境條件的限制。 ^[2] 

2. 特點

（1）以市售袖珍式計算器作為人機聯繫手段，通過鍵盤和顯示器可準確無誤的收集和存貯數據。

（2）數據存貯容量為16K×8bit，並且有掉電維持信息功能，即當工作電源斷電後，存貯器中的信息不改變、不丟失。另外，還可用一般音頻錄音機作為外輔助存貯設備。

（3）具有自檢能力，可自行對主要硬件及軟件進行故障診斷,並可報警。

（4）實現了與APPLEII、IBM PC微機間的數據通訊。 ^[2] 

3.硬件和軟件

硬件的選擇直接決定了儀器的性能特點。因此，正確選擇硬件是至關重要的。雖然集成電路有多種類型，但CMOS電路最適用於本儀器。因為，與其它電路相比，它具有低功耗、高抗干擾能力、寬的電源電壓範圍和工作温度等一系列優點。 ^[2] 

通常，小型儀器應選用能提供所需能力而沒有或具有最少附加組件的微處理器。綜合考慮單片機，通用微處理器、位片微處理器三種常用裝置各自的特點，本儀器選用單片機80C35作為其微處理器。鑑於80C35單片機片內無程序存貯器，及有64×8bit數據存貯器，因此,用一片程序存貯器27C16和兩片靜態數據存貯器HM6264擴展單片機80C35組成一個微處理器系統。

（1）80C35單片機的系統

該系統是整個儀器的核心部分，它肩負着控制儀器、輸入、存貯和傳送數據的重任。它由80C35、27C 16EPROM、HM6264 RAM、74HCT373所組成。 ^[2] 

（2）袖珍式計算器接口

該接口由11芯插件、光電偶合器和行、列總線緩衝器組成。通過該接口，單片機可對計算器的鍵盤掃描，從而輸入數據，同時又不影響計算器本身的功能。當鍵盤無任何鍵閉合時，其各行、列對應的光電偶合器不導通，輸出為高電平；當有鍵閉合時，其對應的行、列光電偶合器導通，輸出由高電平變為低電平，單片機通過總線緩衝器不斷對行、列光電偶合器的輸出掃描並根據其邏輯狀態確定鍵盤操作，此即為鍵盤掃描原理。

眾所周知，鍵操作存在抖動、重鍵、串鍵等問題。若不解決這些問題則會產生誤碼。為此，作者利用軟件延時及查詢的方法有效可靠的解決了這些問題。又由於計算器本身的特點，如，只顯示8位數，只顯示一個小數點等。為使顯示內容和單片機掃描譯碼內容完全一致，在軟件設計中採取了查詢並比較的措施以確保輸入數據的可靠性。 ^[2] 

（3）普通音頻錄音機接口

由於單週期調製方式的解調、調解電路簡單易於實現並可獲得較高的數據傳輸速率和可靠性，所以它被採用。

調製電路由觸發器和電阻分壓器構成，其原理是：單片機藉助輸出觸發脈衝的時間間隔來控制觸發器輸出方波的週期大小從而實現對數字“1”、“0”的週期調製。解調電路由移位寄存器和整形電路構成，其原理是：單片機對整形輸入信號反覆電平採樣，並將採樣值移入移位寄存器中，採樣一次對移位寄存器的內容判斷一次，看是否對應於兩個完整調製方波的分界點，然後根據兩個分界點間的時間與預先確定的判別值之間的大小關係解調出數字“1”、“0”。

軟件設計中採用水平垂直偶校驗和重複兩遍調製的方法實現了數據的檢錯、糾錯能力，使其具有很高的可靠性。 ^[2] 

（4）微機通訊接口

該接口實際上是一個18線的電纜連接器，其作用就是引出單片機系統的有關信息線，利用通訊接口板與微機通訊。 ^[2] 

便攜式數據收集器與微機間的並行通訊接口板

該接口由可編程並行口、雙向總線收發器、總線緩衝器、或門構成。利用該接口通訊時，單片機採用中斷方式，微機採用查詢方式很好的解決了兩個不同時鐘系統通訊時的匹配問題。

其工作原理為：微機不斷對單片機系統的狀態進行查詢，若單片時機系統未作好通訊準備則繼續查詢；若已作好準備則微機就向接口通訊，於是接口電路便使單片機產生中斷並開始通訊。以一字節為單位通訊，直到結束。

微機方的通訊程序可用彙編語言編寫。也可用BASIC語言編寫。程序中採取了有效措施使得通訊接口板能用於微機的任一有效外設擴展插槽中。 ^[2] 

兩種微機間的通訊

利用RS-232串行口實現了APPLEII、IBM PC微機問的零調制解調器通訊。所謂零調制解調器實際上就是三條跨接電纜，其中兩條分別將一方微機的數據輸出端和另一方微機的數據輸入端相連，另一條連接兩微機的信號地。另外，雙方微機的25芯聯接器的第4、5、8腳短接，6、20腳短接。

通訊規定4800bps的數據傳送速率和8位數據位、2位停止位、無校驗位的數據格式。採用接受方控制通訊操作的方式，即一旦發送方開始運行通訊程序，則整個過程由接受方控制。 ^[2] 

作者設計了一種便攜式數據採集系統的硬件電路，以80C552單片機作為核心，同時運用80C552單片機的串行接口電路來設計數據存儲器和程序存儲器的擴展、信號的顯示以及低通濾波電路。 ^[1] 

系統硬件電路結構

系統硬件電路的結構主要有：

（1）濾波放大電路單元：主要用於把從傳感器輸出的電壓信號進行過濾，以便濾去幹擾信號以及放大有用信號，採用LM324運算放大器組成的一階有源濾波電路。

（2）最小系統單元：在這部分中，主要介紹了80C552單片機內部沒有程序存儲器和滿足便攜式系統的足夠大的數據存儲器，因此，給出了基於80C552單片機外擴展程序存儲器和數據存儲器的連接圖以及所選用的存儲器。

（3）鍵盤和顯示單元：在此單元電路中，選用了兩個按鍵（主機復位按鍵和工作方式選擇按鍵）以及4位LED顯示器。由於按鍵數量較少，所以採用獨立式接法，顯示器採用共陰極接法。

（4）串行通信單元組成：介紹了80C552外擴MAX232E與標準接口總線RS-232的連接。 ^[1] 

系統硬件電路工作原理

首先通過放大濾波電路把傳感器輸出的電壓信號過濾（一階有源濾波可以濾去幹擾信號）同時放大成與80C552內部的A/D轉換器兼容的電壓信號，然後通過A/D轉換送到顯示器上顯示，由於是便攜式數據採集系統，還擴展了數據存儲器以便在野外工作時使用。另外，還可以通過兩個按鍵來對主機復位和進行工作方式的選擇。 ^[1] 

單元電路設計主要包括：濾波放大電路設計單元、單片機最小系統設計、鍵盤與顯示單元電路設計、串行通信接口設計。 ^[1] 

濾波放大電路設計單元

在本系統中，輸入信號往往存在一些干擾信號等不需要的信號，所以在設計過程中要將不需要的信號衰減到足夠小的程度，或者利用某些電路將其分離出來，為此，可以設計放大濾波器。 ^[1] 

由LM324組成的放大濾波器電路中，由於有4個可以調節的電阻和4個可調節的電容，這樣就可以改變濾波的放大倍數和濾波頻率。傳感器兩路輸出信號只需要在LM324內部的1個運算放大器即可，這樣可以少用3個運放，從而節省系統空間，而且可以適用於更多不同頻率的信號。 ^[1] 

單片機最小系統設計

單片機最小系統設計包括單片機的選擇，程序存儲器和數據存儲器的擴展。 ^[1] 

選用Philips公司80C51系列單片機中最出類拔萃的一款單片機80C552，指令系統採用MCS-5，其芯片增加了一個16位定時/計時器T2；一個8路模擬輸入的10位A/D轉換器；5個8位I/O端口和一個模擬輸入共用的輸入端口；

總線串行口；全雙工UART，與80C51的UART兼容和專用片內監視定時器T3等，現已廣泛應用於儀器儀表、工業測控等領域。 ^[1] 

74LS373地址鎖存器起到分離和保護地址A0~A7的作用，使用PSEN控制信號作為27C64存儲器的讀出控制，要求只能使用MOVC指令訪問27C64存儲器。在電路中，由於兩種存儲器都是P2口提供高8位地址，P0口提供8位低地址，所以它們的地址範圍是相同的。為了避免造成操作上的混亂，PSEN信號來控制程序存儲器的讀操作，RD和WR信號分別控制數據存儲器的讀和寫。 ^[1] 

由於80C552內部沒有程序存儲器，所以擴展一個8KB×8的程序存儲器27C64.雖然80C552單片機內部有一個數據存儲器，但只是動態RAM（需要不斷刷新才能保存數據），所以基於便攜式的思想，需要外擴一個才能保存數據的存儲器，可選用8KB×8的EERROM 28C64用於存儲並保存數據。 ^[1] 

鍵盤與顯示單元電路設計

顯示電路只需要顯示數據，故選用了4位的LED顯示器和兩個操作按鈕。4位顯示器採用共陰極連接方法，並且採用一個I/O控制4位段選線，所以在點亮的每個瞬間，4個LED顯示器都會顯示相同的字符。如果要使每個顯示器都能顯示不同的字符，就必須採用掃描的方法來輪流使4個LED顯示器點亮，這樣就能在一個瞬間只顯示一個顯示器。2個按鈕的主要作用是使主機復位和工作方式的選擇。 ^[1] 

串行通信接口設計

通過MAX232E的TTL和RS-232的鍵入/輸出端口自動地調節，從而使單片機串口的TTL信號和RS-232的串行通信信號的電平匹配。 ^[1] 

在RS-232直接傳送通信系統中，只要將發送和接收雙方同時做好準備，兩方均用信號發送端（TXD），信號接收端和信號地這3根線就可以進行相互之間的通信。在80C552單片機系統中，分別從P3.0和P3.1引出串口線RXD和TXD通過專用的電平轉換芯片轉換成RS-232接口標準的電平，這樣兩者之間就可以通過RS-232接口進行數字信號的傳送。單片機雖然可以以直接傳送或應答握手的方式來進行數據之間的通信，但由於握手方式需要佔用單片機數量有限的端口，所以計算機與單片機的通信常採用直接傳送的方式。MAX232E通過一個DB9型連接器與PC機的COM口連接。單片機串行數據接收端RXD連接至MAX232E的輸出端R1OUT，串行數據發送端連接至MAX232E的輸入端T1IN。 ^[1]