单片机的便携远程多路数据采集系统.pdf
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1、基于单片机的便携远程多路数据采集系统T h eP 0 r t a b t eR e m o t eD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e m0 fM u|t i r o a d sB a s e dO nS j n g l e c h i pM l c r o c o m p u t e r(武汉科技大学)童中华程耕国T O N GZ h O n g-h u aC H E N GG e n g g u o摘要:为了在油井压裂过程中进行远程数据采集,设计开发了便携式远程多路数据采集系统。系统结构紧凑,采用A T 8 9 C 5 2单片机作为中心控制单元。应用i
2、 2 位高精度并行A D 转换芯片A D 5 7 4 和8 通道故障保护模拟开关M A x 3 5 4 实现8 路数据采集:利用R S 一4 8 5 串行通讯进行数据传榆,传榆距离可达1 2 k m;接收端再将信号转换为R S 一2 3 2 电平,使用便携式手提电脑的串口接收数据将采样数据存储在P c 机中,便于数据的实时处理和分析。关键词:多路数据采集:单片机;远程;l 塔墙5中图分类号:T N 4文献标识码:B、A b 醴r a c t:I nt h eo i lw e Uf h c t u r i n gp r _ o c e s s,d e s i g nt h ep o r l a
3、b l er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m T h es y s t e mi sc o m p a c t,u 8 i n gs i I 卜d e c h i pm i c m c o m p u t e rA T 8 9 c 5 2 嬲c e n t m lc o n t r o li t e m,r e a l i z i n gd a t as a m p l i n go f8r o a d st h m u g h1 2b i t sh i g hp r e c i s ep a r a l l e lA,Dm i
4、 c m c i r c u i tA D 5 7 4a l l d8c h a n n e l se x c e p t i o np m t e c t i n ga 蹦o gs w i t c hM A X 3 5 4 U s i n gaR S 一4 8 5p o nt oc o n d u c td a t at r a n s m i s s i o n,i tt r a 璐f e r sa sf 打勰1 2 k m“n k e dw i t I lah o s tc o m p u t e rR S 一2 3 2p o n s,t l l es i n k ss e tt h e
5、d a t u ms t o r e di nP Cf o re 黯yh a n d l i n ga n da n a l y z i n g K e yw o r 凼:豳衄戢掣吲t i 阻o fm 越蜢一m 曩d s;&n g l e-屯h i pM i c m p I l 协r 风潮舭;瞰-4 龉引言在工业生产和各种科学技术研究过程中,常常要对各种数据进行采集和处理。通常用的采集方式是在P c 机或者工控机内安装数据采集卡,例如A 巾卡及R S-4 2 2 卡、R S 一4 8 5 卡。采集卡易受机箱内环境的影响,以及计算机插槽数量和地址、中断资源的限制不能挂接很多设备。尤其是在进行油井
6、压裂作业时,因为压裂T 作现场比较危险,而又同时需要对压裂时的各种数据进行采集和处理,以便进行远程实时监控,因此利用工控机进行远程数据采集处理,就难以满足远程数据传输和便携的要求。本文探讨一种基于单片机和手提电脑的远程数据采集系统。既可以进行远程数据采集,而且灵活轻便利于携带,同时也减低了设备成本。1 主要芯片介绍A T 8 9 C 5 2 是一个低功耗,高性能c M 0 s8 位单片机,片内含8 kB y t e s 的可反复擦写1 0 0 0 次的n a s h 只读程序存储器。器件采用A 删E L 公司的高密度、非易失性存储技术制造。A,1 1 8 9 c 5 2 有1 2 8b y t
7、 e s 的0 n c h i p 随机存取数据存储器(R A M),3 2 个外部双向输入稚出(的)口,1 个6 向量两级中断结构,3 个1 6 位可编程定时计数器,1 个全双工串行通信口,片内时钟振荡器。此外,A,l 8 9 c 5 2 还设计和配置了振荡频率可为O H z 并可通过软件设置的省电模式。空闲模式下,c P u 暂停工童中华:硕士基金项目:国家自然科学基金资助项目(咖7 4 0 3 2)项目名称:压电材料在柔性构造物智能控制中的应用研究作。而f L A M 定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存R A M 的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬
8、件复位。A D 5 7 4 是美国模拟数字公司A n a l o g)推出的单片高速1 2位逐次比较型D 转换器内置双极性电路构成的混合集成转换芯片,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A D 转换器,其模拟电压输人范围有四种:0 1 0 V 和0 2 0 v,0 5 v 和O 一1 0 v,数据输出格式为1 2 位和8 位可选,本文采用1 2 位数据格式,这样可以提高数据的精度。M A x 4 8 5 接口芯片是M A x I M 公司的一种R s-4 8 5 芯片它完成将r r I L 电平转换为R s-4 8 5
9、电平的功能。采用单一电源+5 V 工作,额定电流为3 0 0 斗A,采用半双工通讯方式,数据传输率高达2 5 M b p s。在一条R s 4 8 5 总线上可以挂接最多3 2 个M A x 4 8 5 收发器。这样可以通过编程利用一台手提电脑通过R S-4 8 5 总线同时对多套该系统进行数据采集。2 系统硬件设计整个采集系统分为数据采集发送端和数据接收端。数据采集发送端主要由A 髓9 c 5 2 单片机、A D 5 7 4 AA 加采样芯片、M A x 3 5 4 故障保护模拟开关和M A x 4 8 5 芯片构成,完成多路信号的采集和串行数据的发送功能。数据接收端由一个R s 4 8 5
10、电平转R s 一2 3 2 c 电平的电路,以及一台便携式手提电脑构成。数据采集端和发送端通过一条屏蔽的双绞线电缆连接。2 1 数据采样电路采样电路由A D 5 7 4 和M A)【3 5 4 组成,在一个采样周期内(多_ 自控一邮局订阅号:8 2 9 4 63 6 0 元,年一1 3 7 数采与监测中文核心期刊微计算机信息)(测控自动化)2 0 0 8 年第2 4 卷第7 1 期连续对8 路输入数据按顺序进行一轮采样,采样电路与单片机用隔离放大器的变压器将信号磁耦合,隔离了通路的线路连魄连接如图1 所示。接,从而切断了干扰源。这样对压裂设备上发动机的于扰有了一图一l 数据采样电路采用8 通道
11、故障保护模拟开关M A x 3 5 4 对采样通道进行选择,这可以通过8 9 c 5 2 地址线A 0,A 1,A 2 来控制,信号通过模拟开关后被送到A D 5 7 4 的输入端。A D 5 7 4 内部具有三态数据锁存器,可以和8 9 c 5 2 单片机的P o 数据口直接相连,它内部具有参考电压和时钟电路,因此无需任何元器件即可独立完成加转换。A 仍转换结束后,A D 5 7 4向8 9 c 5 2 的中断I N T 0 发出中断申请,然后系统对转换后的数据进行处理。A D 5 7 4 的1 2 侣端子固定接地,A 0 端口与8 9 C 5 2 的地址线A 7 相连,这样在地址线A 7
12、的控制下分两次通过8 位数据总线来读取1 2 位的转换结果。2 2 数据发送与接收电路为了避免在长距离的数据传输过程中,数据受到现场的干扰该系统采用M A x 4 8 5 芯片将信号电平转换为R s-4 8 5 电平。采用R s 4 8 5 接口进行远程数据传输。R s 4 8 5 是美国电气工业联合会(E I A)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输;最大传输距离可以达到1 2k m;最大可连接3 2 个驱动器和收发器:接收器最小灵敏度可达2 0 0m V;最大传输速率可达2 5M b,s。同时,R S 一4 8 5 协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的
13、标准。这也为今后该数据采集系统迸行多点数据采集的功能扩展奠定了基础。M A x 4 8 5 芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。R 0 和D I 端分别为接收器的输出和驱动器的输人端,与单片机连接时只需分别与单片机的R x D 和T x D 相连即可;,R E 和D E 端分别为接收和发送的使能端当爪E 为逻辑0 时,器件处于接收状态;当D E 为逻辑l 时,器件处于发送状态,因为M A x 4 8 5 工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端,当A 引脚的电平高于B 时,代表发送的数据为l;当A 的电平低于
14、B 端时,代表发送的数据为O。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制M A x 4 8 5 的接收和发送即可。同时将A 和B 端之间加匹配电阻一般可选1 0 0 Q的电阻。在数据接收端,手提电脑上的串行接口采用的是R s 一2 3 2 c电平,因此还需要将R s 一4 8 5 电平进行转换。由于在数据接收端采用的手提电脑需要携带方便,因此这里采用的是市面上比较小巧紧固的电平转换接口。这里就不做赘述。2-3 主要的抗干扰措施对M A X 3 5 4 的输入端采用隔离放大器进行信号隔离,采定效果的屏蔽作用。同时为了防止单片机受干扰影响而发生“死机”等现象,系统还利用M A x 7 0 6
15、 芯片设计了“看门狗”电路,提高了系统的抗干扰能力,如图一3。M A x 7 0 6 是一种性能优良的低功耗c M 0 s监控电路芯片,其内部电路由上复位、可重触发”看门狗”定时器及电压比较器等组成。M A X 7 0 6 只要在1 6 秒时间内检测到w c I 引脚有高低电平跳变信号则”看门狗”定时器清零并重新开始计时;若超出1 6 秒后。w C I 引脚仍无高低电平跳变信号,则”看门狗”定时器溢出,w D 0 引脚输 j 低电平,进而触发M R手动复位引脚,使M A c 7 0 6 复位。从而使”看门狗”定时器清零并重新开始计时,w D 0 引脚输出高电平,M A x 7 0 6 的R S
16、 T 复位输出引脚输出大约2()0 毫秒宽度的低电平脉冲,使单片机控制系统可靠复位,重新投入正常运行。M A x 7 0 6 的控制只需要利用单片机的P 1 5 引脚通过简单编程实现。P 1图-2 数据发送电路图一3“看门狗”电路3 系统软件设计软件设计包括两方面:笔记本电脑的主机程序和单片机数据采集和发送的固件程序。其中。主机程序的编写可以利用V B语言编写串口通信是通过M i c r o s o f tv j s u a lB a s i c 的通信编程控件M s c o m m 实现的。在读取完串口数据后,需要将每通道1 0 次采集的数据进行数学平均计算。这样可以在一定程度上减小干扰数据
17、的影响。8 9 c 5 2 的串行通讯采用工作方式l,波特率是9 6 0 0 b i 讹,发送数据采用定时查询方式,可以根据需要适当调节发送数据的时间,定时周期性地读取存储的采样数据,以串行方式通过R s 一4 8 5 接口发送到上位机。程序采用可读性较强的c 5 1 语言编写,程序流程图见固件流程图一4。在编写8 9 c 5 2 的程序时,需要对采样数据进行处理。由于采集的油温、油压、井口压力等数据与信号电压是线性关系,通过给定标准信号电压测量一个最大值和一个最小值,就能得出各种数据的信号电压与测量数据之间的比例关系。数据处理程序是根据线性比例关系,先将D 转换器A D 5 7 4 采集到的
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