多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，環(huán)節(jié)眾多、流程復(fù)雜、數(shù)據(jù)不斷更新、隨著生產(chǎn)工藝改進(jìn)的迫切要求，需要研制新型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)即多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。基于stc11f48xe具有完全兼容8051系列單片機(jī)、含有flash技術(shù)主導(dǎo)的存儲(chǔ)器、可反復(fù)進(jìn)行單片機(jī)控制試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，本文選用它作為數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的cpu。在和本地的通訊中采用rs485標(biāo)準(zhǔn)，相比rs232大大提高了通訊速率、傳輸距離和多機(jī)連接的能力，這樣使本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可擴(kuò)展為多機(jī)通信。

　　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，整個(gè)系統(tǒng)由主要以下幾個(gè)部分組成：旋轉(zhuǎn)變壓器、ad2s1200、電源模塊、stc11f48xe、485通信模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)的工作原理為：旋轉(zhuǎn)變壓器綁定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，通過ad2s1200給的勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生正余弦信號(hào)送回給ad2s1200，ad2s1200對(duì)正余弦信號(hào)進(jìn)行處理后得到轉(zhuǎn)軸的位置，把這個(gè)數(shù)據(jù)以入堆棧的方式存進(jìn)stc11f48xe的ram中，當(dāng)上位機(jī)請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)量時(shí)，單片機(jī)通過自定義的協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　a/d轉(zhuǎn)換模塊

　　模擬數(shù)據(jù)量通過旋轉(zhuǎn)變壓器采集，通過ad2s1200芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ad2s1200是ad公司推出的12位帶參考振蕩器的r/d轉(zhuǎn)換器，具有以下主要特點(diǎn)：(1)并行和串行輸出方式;(2)系統(tǒng)錯(cuò)誤檢測(cè);(3)絕對(duì)位置和速度輸出;(4)差分輸入;(5)最大跟蹤速度為1000rps，可仿真12位分辨度的增量式編碼器;(6)與dsp和spi接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。由于本文設(shè)計(jì)的是多路數(shù)據(jù)采集，所以我選用串行輸出方式。ad2s1200串行輸出時(shí)序圖如圖2所示。

　　如圖2所示，在sample信號(hào)拉低t2時(shí)間后，cs信號(hào)即片選信號(hào)被拉低，sample信號(hào)必須保持t1時(shí)間的低電平，rdvel信號(hào)我們選擇給以高電平，代表輸出信號(hào)是位置量。這時(shí)在so口會(huì)有數(shù)據(jù)輸出，要讀出so的數(shù)據(jù)還需要rd為低電平，且在sclk的下降沿，這樣讀出的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。讀串行數(shù)據(jù)的時(shí)間要求如圖3所示。

　　單片機(jī)和通信模塊

　　單片機(jī)采用宏晶科技的stc11f48xe。8051單片機(jī)在讀取外部狀態(tài)時(shí)i/o口必須先置高。傳統(tǒng)8051單片機(jī)執(zhí)行i/o口操作，檢測(cè)高低電平變化以及讀外部狀態(tài)都是12個(gè)時(shí)鐘周期，因此在讀取外部狀態(tài)i/o時(shí)相應(yīng)的i/o端口已經(jīng)是高電平。而stc11f48xe執(zhí)行相應(yīng)的操作只需要4個(gè)時(shí)鐘周期，在執(zhí)行完由低變高的指令后，需要再過一個(gè)時(shí)鐘周期該i/o口才會(huì)變高，這時(shí)可以通過增加兩個(gè)空操作延時(shí)指令來(lái)滿足讀狀態(tài)條件。單片機(jī)控制電路和通信電路如圖4所示。

　　單片機(jī)在數(shù)據(jù)通信時(shí)經(jīng)過一個(gè)總線收發(fā)器74hct245和一個(gè)施密特觸發(fā)器74ls14到達(dá)rs485的驅(qū)動(dòng)電路，通過485接口和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中總線收發(fā)器是為了加強(qiáng)信號(hào)，施密特觸發(fā)器是為了修正波形。lbc184是常用的485通信芯片同時(shí)完成將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs485電平。

　　電源模塊

　　電源分成了數(shù)字電源和模擬電源。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的高頻噪聲很大，如果模擬地和數(shù)字地混合的話，就會(huì)把噪聲傳到模擬部分，造成干擾。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　程序流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)入棧出棧、中斷處理。在完成串口等初始化后，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集時(shí)要關(guān)閉串口中斷，不然會(huì)引起數(shù)據(jù)的不正確，采集完數(shù)據(jù)后打開串口中斷。若沒有接收到串口中斷，程序就會(huì)一直采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)入棧，當(dāng)棧滿的時(shí)候就會(huì)清空數(shù)據(jù)棧。接收到串口中斷時(shí)，就把棧頂數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　讓旋轉(zhuǎn)變壓器停在某處，測(cè)得此時(shí)的so和sclk如圖6(一組數(shù)據(jù)放大后的波形)所示，上面的圖形代表so，下面的圖形代表sclk。從圖6我們可以讀出這組數(shù)據(jù)為1001001111011111，轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制即是93df。

　　利用串口助手以中斷的方式從單片機(jī)取得數(shù)據(jù)如圖7所示，從圖7可看到收到的數(shù)據(jù)為93df，和從示波器上讀出的數(shù)據(jù)一致，由此推斷出單片機(jī)能正確的存入和上傳數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性，較強(qiáng)的抗干擾能力，占用空間小方便應(yīng)用于嵌入式等特點(diǎn)。作為一種多通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它不僅可以采集位置量還可以采集速度，同時(shí)也能方便地由四通道擴(kuò)展到八通道、十二通道等，可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。