多路數據採集系統

當一個數據採集系統要同時採集多路信號時，僅僅靠普通微控制器（MCU）如單片機、ARM 等的資源難以完成任務。此時，雖然可以採取多 MCU 聯機處理的模式，或者靠其它芯片擴展系統資源來完成系統的控制任務，但是這樣做不僅增加了大量的外部電路和系統成本，大大增加了系統的複雜性，並且降低了多路數據採集的同步性。如果要加入一些數據預處理，比如快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT），普通的系統速度根本不可能完成。這就是多路數據採集系統需要解決的問題。 ^[1] 

在當今集成電路及互聯網行業快速發展轉型的時期，數據採集(Data Acquisition)已經廣泛應用於互聯網信息技術、工農業生產、科學技術研究及分佈式領域，作用和地位越來越重要。隨着互聯網雲計算平台的產生及對各行各業思維方法的改進，數據採集系統無論從硬件還是軟件都有了新的、更全面的發展和研究。 現代科學技術各個領域都離不開初期的數據採集和信息交換，在研究和應用過程中數據採集量的增大，要求數據採集系統對信息的處理速度越來越高，外圍電路的擴展功能越來越豐富。傳統的數據採集儀器功能相對簡單，採集數量、速度不快，在數據處理傳輸方面依賴單獨的計算機軟件分析，互聯性和可開發性不強。而完整的多路數據採集系統，不僅能夠單獨進行數據採集，而且設備能高速同步處理數據信息，還能在各設備之間互相通信以及擴展接入其他外設，構成功能完整的數據採集系統，甚至上傳數據至網絡後台，實現雲端信息共享。

國內外數據採集技術已經在軍事、航空航天設備、工業、交通、醫療等各行各業領域被廣泛應用。傳統數據採集儀器和系統依據不同功能的傳感器與前端 A/D 轉換器組成採集電路，然後通過放大、濾波等電路，接入存儲器組成數據採集系統，進而由計算機控制單片機進行數據處理。由於半導體產業、集成電路硬件的製造技術越來越高，高性能、低功耗、高可靠性的單片數據採集系統(DAS)和數據採集卡出現了。數據採集技術已經成為一種專門的技術，通過與新技術的融合不斷髮展和應用。現階段數據採集系統採用更先進的組合模塊化結構，根據設計者的應用需求，通過對模塊的簡單更改、增加、組合，並結合系統的各類編程方法，靈活的對系統進行修改或擴展，然後組成一個新系統。現在的數據採集系統已經開始向高速化、模塊化、遠程通信化和可插拔的方向發展，甚至與互聯網結合拓展更廣闊的領域，典型的系統有 VXI 總線系統、PXI 總線系統等。國內數據採集系統受國外技術影響也經歷了與國外大致相同的發展過程，但由於國內的技術水平，特別是工藝、原材料等同世界發達國家相比存在着一定的差距。目前國內數據採集系統在整體上又遠遠落後於世界水平。 ^[2] 

數據採集是獲取信息的基本手段。數據採集技術作為信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號測量和處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用型技術。

微電子技術、計算機技術和數字通訊技術的發展，以及微型計算機的廣泛應用，不僅為高性能數據採集系統的應用開拓了廣闊的前景，也對高性能數據採集技術的發展產生了深刻的影響。高性能數據採集系統的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

(1)、新型快速、高分辨率的信號轉換元件不斷湧現，大大提高了數據採集系統的性能；

(2)、高性能單片機的問世和各種數字信號處理器的湧現，進一步推動了數據採集系統的廣泛應用；

(3)、與微型機接口配套的數據採集板卡的大量問世，大大方便了數據採集系統在各個領域的應用，並有利於促進數據採集系統技術的進一步發展；

(4)、分佈式數據採集是數據採集系統發展的一個重要趨勢。 ^[1] 

目前，傳統的多路數據採集系統的設計有2種方法，一種是基於下位機單片機和上位機PC的系統架構方式進行設計，且上位機PC軟件多采用VB、VC++等面向對象的程序設計語言進行設計；另一種是基於美國國家儀器公司的數據採集卡和上位機LabVIEW的系統架構方式進行設計。第1種設計方案的優點是下位機單片機硬件成本較低，缺點是上位機軟件編程調試較複雜，開發週期長，需要專業人員才能實現。第2種設計方案的優點是上位機軟件採用LabVIEW圖形化編程語言，具有編程簡單方便，界面形象直觀，縮短開發週期，並可根據用户的需要對系統做出快速更改等，缺點是NI公司的數據採集卡比較貴，對於中小企業來説是一筆不小的開銷。 ^[3] 

針對上述2種設計方案的優缺點，提出基於STC單片機和LabVIEW的多路數據採集系統設計方案，從而實現一種在LabVIEW開發環境下的低成本多路數據採集系統。

系統硬件分為下位機和上位機2大部分，由於上位機硬件由一般 PC即可實現，所以本部分詳細介紹下位機硬件設計。根據下位機功能需求，下位機硬件電路設計分為數據採集、RS232通信接口、繼電器控制輸出（可選）等主要功能模塊。

數據採集部分主要包括多路模擬信號量傳感器、信號預處理電路、A/D轉換電路等組成。其電路設計有2種方案，一種是利用獨立的電子元器件搭建數據採集電路；另一種是用內部集成 A/D功能的微控制器實現。根據嵌入式系統硬件設計原則，本系統選用第2種設計方案。多路模擬信號量傳感器一般採用定製或現購方式。信號預處理電路主要是採用運算放大器電路將傳感器輸出的微弱信號放大到能夠適應A/D轉換的輸入電壓要求。

微控制器根據數據採集硬件設計方案和系統其他功能需求，本系統選用基於8051時鐘/機器週期的STC單片機作為下位機硬件控制核心，因為該單片機內集成FLASH、SRAM、E2PROM、定時器/計數器、UART、串口2、I/O接口、8通道A/D轉換（250K/s）、SPI、PCA、看門狗以及串口在線編程等外圍電路模塊，其幾乎包括數據採集和控制中所需要的所有功能模塊，完全可以勝任一般數據採集系統微控制器的設計要求。

上位機PC與下位機單片機通過RS232進行數據通信。其中，下位機單片機的信號輸入輸出為TTL電平，邏輯1為3.8V左右，邏輯0為0.4V左右，上位機PCRS232串行接口標準，在電氣特性上，RS232採用負邏輯，要求高、低2個信號間有較大的幅度，標準為：邏輯“1”在-15~-5V，邏輯“0”在+5~+15V，通常採用－10V左右為邏輯1，+10V左右為邏輯0。因此，必須外接電路實現TTL電平到RS232電平的轉換。本系統選用MAX232E芯片實現此轉換。

設計的多路數據採集系統，經實際驗證，上位機LabVIEW與下位機單片機通信正常，能夠實現多路模擬量的採集與實時監測，運行穩定、可靠。在實際開發中，本系統設計具有較強的通用性，稍加修改，即可應用於其他領域的數據採集控制，具有一定的參考價值和實用性。 ^[3]