基于单片机的多通道监控系统的设计.pdf

第2 5 卷第4 期增刊仪器仪表学报2 0 0 4 年8 月基于单片机的多通道监控系统的设计吕红芳程良鸿(上海理工大学上海2 0 0 0 9 3)摘要介绍了利用单片机A t m a g e l 2 8 设计的多通道监控系统，主要阐述了系统中差分变换模块、通讯模块及显示模块的软硬件的实现，并说明了如何通过S P I 及P W M 实现数据采集过程中的动态调节以及采用C A N 总线实现系统扩展。关键词单片机A t m a g e l 2 8 数据采集动态调节C A N 总线S i n g l e c h i pM i c r o c o m p u t e rB a s e dM u l t i p a s s a g eM o n i t o r i n gS y s t e mL vH o n g f a n gC h e n gL i a n g h o n g(U n i v e r s i t yo fS h a n g h a if o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，s h a n g h a i2 0 0 0 9 3，C h i n a)A b s t r a c tI ti n t r o d u c e sam u l t i p a s s a g em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g nu s i n gs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r A t m a g e12 8 I tc h i e f l yd i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed i f f e r e n c em o d u l e，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l ei nt h es y s t e m I ta l s oe x p l a i n sh o wt or e a l i z ed y n a m i cr e g u l a t i o ni nt h ep r o c e s so fs a m p l e d d a t at h r o u t hS P Ia n dP W Ma n de x t e n dt h es y s t e mb yC A Nb u s K e yw o r d sA t m a g e12 8S a m p l e d-d a t aD y n a m i cr e g u l a t i o nC A Nb u s1引言在实际的生产与生活中，对被控对象的物理参数(温度、流量、压力、电流、电压等)的采集与处理并加以合理的控制，有着很重要的现实意义。这里介绍了利用A t m a g e l 2 8 单片机控制多路模拟开关实现多通道监控系统的设计，系统采用L C D 显示，片内A D C 进行数据采集，键盘操作，并可对每个通道进行动态调节，采用C A Nb u s 进行扩展，使得应用范围更广，功能更强，更好地满足了设计要求。2 系统性能介绍本系统主要性能及功能如下：。输入传感器信号为K、E 分度号热电偶、开关量、42 0 m A。数据采集速度 1 4 m s，仪表等级1 0 级。采集通道数为6 4 路，可通过通讯接口进行扩展。采用L C D 3 2 0 2 4 0 显示，键盘控制。6 4 路L E D 输出显示。8 路数字量输入，8 路数字量输出。3 系统硬件设计3 1 系统硬件框图系统硬件框图如图1 所示。传感器输入r，_ 1r 1嘴j 到蒸L J 翼L J 嚣显不模块l圆L囤1、一CAN通迅模块k B U S_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _-_ _ _ _ S P IP W M0 I 0 0 厕叫模块伍丽菘图1 系统硬件框图3 2 主要模块设计3 2 1 差分变换模块传感器输入变换电路部分设计如图2 所示，其中传感器输入信号可为开关量、P t l 0 0 热电阻、热电偶、电流和电压信号，各种信号采用差分放大电路，可将P t l 0 0 热电阻、热电偶等的小信号精确放大，使其测量墓 万方数据第4 期增刊基于单片机的多通道监控系统的设计4 2 5的准确度进一步提高。经过测量放大后的信号通过多路模拟开关，进行选择实现多通道采集。m 站0 Cm o f f 厂6芝么玉口呻m 4图2 传感器输入变换电路图3 调解放大电路在图2 中，参考电压U r 为1 0 V，对各种不同的传感器输入，在变换后进入多路模拟开关，通过软件实现切换。本设计中信号变换后在满量程时输出为：热电偶1 0 0 0 输出4 1 2 7 m V，P t l 0 0 在1 0 0 输出3 8 5 m V，电流信号在输入2 0 m A 时输出2 0 0 m V，开关量在o f f时输出5 0 0 m V，在o n 时输出9 9 0 0 m V。3 2 2 显示模块本系统中显示分为L C D 和L E D 显示，L C D 通过A t m a g e l 2 8 控制S E D l 3 3 5 驱动，主要用于显示当前通道实时测量数据、实时报警参数、通道设置参数，并可通过键盘对系统通道的传感器类型、测量范围、量程、报警类型等进行设定；L E D 显示部分通过A t m a g e l 2 8的I o 控制，用于指示通道的状态为正常、报警、应答或非应答，如系统通道出现越限或故障状态，L C D 将自动显示故障或报警通道的实时测量值、报警时间、状态及相应的设定参数，同时L E D 显示相应通道的状 万方数据4 2 6仪器仪表学报第2 5 卷态，A t m a g e l 2 8 将驱动扬声器发出声音报警，在消声消闪并且系统恢复正常后，显示模块恢复为正常显示。3 2 3 调节放大模块调节放大电路设计如图3 所示。在本系统中，由于传感器信号相差悬殊，从m V 级到V 级，就A t m a g e l 2 8 单片机本身而言，其工作电压为5 V，所以其所带的A D C 采样电压应为o 5 V，为了便于测量，设计中采用电子开关对大信号进行衰减，使其转化为合适的范围。另外，在实际应用中，根据测量的类型，需要设定不同的测量范围，A t m a g e l 2 8 内部A D C 为1 0 位，对于固定的测量范围，难以达到很高的精度，为了进一步提高精度，设计中采用单片机S P I 控制数字电位器进行信号的满量程校正，采用单片机输出P W M 及电压比较器进行信号零位校正，从而方便的对于不同通道不同量程的信号都能将其调节到所能达到的最高精度。对于测量信号，由于大小相差悬殊，故在调节放大前应对其进行处理，即对大信号进行衰减，图3 中M S 7 为单片机输出的控制信号，当其为高电平时，电子开关导通，实现对输入信号的衰减，反之，则不衰减。在设计中为实现不同量程的精度调节，也就是上限和零位调整，即在输入信号为满量程时，通过S P I 调节数字电位器，使其输出达到单片机A D C 的最大值，在输入为零时，通过单片机输出P W M 调节通道零位(图3中的D A c)，为了留有余量，本设计中设定上限调节采集值为1 0 0 0，零位调节采集值为5 0，对于每个通道，可以得到两个值，一个为S P I 调节数字电位器的放大倍数K，一个为P W M 输出值Q，这两个值都存储于单片机的E E P R O M 中，这样，就可以采用坐标变换，使得采集值对应于设置量程。当然，上述设计只适用于线性信号，为了准确地测量非线性信号，设计中采用软件对其进行非线性补偿。3 2 4 通讯模块对于实时监控系统而言，需要对所监测的数据进行记录、存储、打印、分析，本系统中采用A t m a g e l 2 8控制S J A l 0 0 0 C A N 总线控制器实现系统与上位机通讯，定时传输实时监测数据。4 系统的软件实现在本系统中，软件主要实现显示处理(包含L C D和L E D)、键盘响应、数据采集及处理、通讯处理等。为了使得测量数据更准确，设计中采用软件实现数字滤波、非线性补偿，并可以通过键盘对每个通道选择其滤波方式及补偿方式。主体的软件流程图如图4所示。5结束语开始生系统初始化二二】=读取E E P R O M皇L C D 显示处理竺差数据采集并处理肇L通过C A NB U S 传输数据到上位机切换通道，并送相应的参数值有lL C D 显示相应叫界面，并处l 理响应操作 兰有l发出声光1 报警，L C D 显l 示相应界面图4 软件流程图本系统申传感器输入电路对于每个通道都相对独立，对条件恶劣的工业现场来说，避免了通道间的相互影响，另外，通过单片机软硬件处理，使得信号干扰更小，还可通过键盘对通道参数进行设置校正，并在操作过程中，L C D 显示相应内容，使得操作简便直观测量更方便。本系统经实际使用，性能稳定，操作简单，应用范围广，可扩展性好，由于采用单片机内部A D C，使得测量精度不能达到很高，但在系统中加入高精度的A D C 后，只需对软件稍加改进，便可实现其优越的性能。参考文献1A t m a g e l 2 8D a t a s h e e t 2陈润秦，许琨检测技术与智能仪表中南工业出版社，1 9 9 9 3 邬国扬模拟电子技术西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 2 4 邬宽明C A N 总线原理与应用北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 5 马忠梅，籍顺心，张凯单片机的C 语言应用程序设计北京：j E 京航空航天大学出版社，2 0 0 1 万方数据基于单片机的多通道监控系统的设计基于单片机的多通道监控系统的设计作者：吕红芳，程良鸿作者单位：上海理工大学,上海,200093刊名：仪器仪表学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年，卷(期)：2004，25(z1)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.Atmage128 Datasheet2.陈润秦.许琨 检测技术与智能仪表 19993.邬国扬 模拟电子技术 20024.邬宽明 CAN总线原理与应用 20025.马忠梅.籍顺心.张凯 单片机的C语言应用程序设计 2001 相似文献(1条)相似文献(1条)1.会议论文 吕红芳.程良鸿 基于单片机的多通道监控系统的设计 2004 介绍了利用单片机Atmage128设计的多通道监控系统,主要阐述了系统中差分变换模块、通讯模块及显示模块的软硬件的实现,并说明了如何通过SPI及PWM实现数据采集过程中的动态调节以及采用CAN总线实现系统扩展.引证文献(1条)引证文献(1条)1.黄玉学.王勤 航天测量船液位采集系统的设计与实现期刊论文-武汉大学学报（理学版）2007(3)本文链接：http:/