基于单片机实现多通道数据综合采集系统的应用方案

作者：刘金英，李建朝，郑彦义，张朝亮

1．前言

在工业控制中需要对各种参量进行采集，即利用信号采集系统将各种数据采集到计算机中进行实时处理。传感器起着中间桥梁的作用，但是它输出的信号往往是很微弱的电流信号，需要经过放大转换成电压信号后才能输入到A/D中进行数据采集。另外，随着测试技术的不断发展，为了适应数字化、高效率等要求，在工业测试系统中单片机的应用也越来越广泛，它具有实时及可靠性高的优点，并且日益显示出巨大的优越性。本系统采用美国Cygnal公司的C8051F020单片机为控制核心，组成了多通道数据综合采集系统，它利用较少的外围器件实现了对液压设备的控制。

2．C8051F020单片机简介

C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片（SOC），它使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核，CIP-51与MCS-51指令集完全兼容。它采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。CIP-51提供了22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，因而有更高的执行效率。具有64个I/O引脚，每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出。C8051F020 MCU内部有一个SMBUS/I2C接口、两个具有增强型波特率配置的全双工UART和一个增强型SPI接口，每种串行总线完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断。它内部有一个12位的ADC0，该子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器；一个8位的ADC1，包括一个8 通道的可配置模拟多路开关（AMUX1），一个可编程增益放大器（PGA1）和一个500ksps、8 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。两个12位的DAC转换器，每个DAC 都具有灵活的输出更新机制，允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新。C8051F020还有5个通用的16位定时器和5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。

3．系统的硬件结构

多通道综合采集系统以C8051F020单片机为核心，主要由以下几部分组成：数据的采集、LCD显示和数据通讯三部分，其硬件框图如图1。传感器输出的电流信号经过放大转换后，送至C8051F020内部的A/D转换器中，在单片机内部完成模数转换、数据存储、数据处理的工作，最后送到LCD显示，同时经过RS-485接口送至计算机，由上位机进行实时监控。

3.1数据的采集

对于液压设备中的8个待测参数选用相应的传感器来来检测，试验时选取应变式传感器作为测试现场的工具。这些选用的检测元件输出都是标准的4－20mA微弱的电流信号，电流信号又经过由LM324组成的放大转换电路转换成0－5V的电压信号输入到C8051F020的模拟输入端，如图2所示，经内部集成的A/D转换器转换成相应的数字量。C8051F020将8路采样值作为液压设备现场的状况存入相应的内存单元。

3.2 LCD显示

为了使数据采集系统小巧美观，同时又获得较高的性价比，选用德彼克公司生产的DMF-50174蓝屏液晶显示器，该显示器是320×240点阵式液晶，图形和文本都可以显示。显示驱动控制芯片采用EPSON 公司的一种高性能LCD 控制器SED1335。硬件电路采用间接接法，如图3所示。用单片机的P5.0～P5.7口作为SED1335的DB0～DB7数据总线的输入通道。P4.5作为SED1335的片选信号， 配合地址信号A0实现SED1335 通过数据总线接收来自单片机的指令和数据。当A 0= 0， P4.6（WR）=0，P4.7（RD）= 1时， 实现指令的写入和从SED1335 中读取数据。当A 0= 1， P4.6（WR）= 0， P4.7（RD）=1时， 则是显示数据的写入，该功能通过软件实现。

3.3 数据通讯

单片机C8051F020的TX0、RX0及P0.2通过MAX485与上位机相连，进行串行通信，如图3所示。P0.2控制MAX485的状态或发送，用软件控制。RX0为单片机的串行输入端，接收上位机通过MAX485向单片机发送的数据。TX0为单片机的串行输出端，通过MAX485发送给上位机。

4 系统软件设计

4.1 软件设计总体上由两部分组成：一部分为单片机C8051F020

主程序设计，一部分为LCD液晶显示程序设计。由于用C语言编程可以降低程序的复杂度，提高程序的可读性和可修改性，所以本软件采用C51进行编程，keil μVision2编译器进行编译。

主程序流程图如图4所示。

4.11 主程序

void main （void）{

long voltage; //电压以mV为单位

int i; //循环计数器

WDTCN=0xde; //禁止看门狗定时器

WDTCN=0xad;

SYSCLK_Init（）; //初始化振荡器

PORT_Init（）; //初始化数据交叉开关

UART0_Init（）; //初始化UART0

Timer3_Init（SYSCLK/SAMPLERATE0）; //初始化定时器3溢出作为采样率

ADC0_Init（）; //初始化ADC

AD0EN=1; //允许ADC

EA=1; //允许所有中断

while（1）{

for（i=0;i{EA=0;

voltage=result［ i］; //从全局变量中取得ADC值

EA=1;

voltage = voltage*VREF0;//计算电压（mV）

voltage = voltage》》16;

LCD_Disp（）; //调显示程序，显示电压值

printf（“Channl‘%d’ voltage is %ldmV\n”，i，voltage）;//串口输出

}}

5 结束语

测试实验中定义C8051F020的采样频率为50000Hz，ADC0设为定时器3溢出的连续转换模式，采用差动输入方式组成8路转换通道，单片机运行后由定时中断进行数据采集。

C8051F020将采集的数据通过RS-485接口传送给上位机，在传送期间波特率必须和PC机设置的波特率保持一致，否则不能正确接收。在测量过程中，整个系统工作稳定，数据可以得到“准”实时的显示。

本文作者的创新点就是能够把液压系统参数中的功率P实时显示出来，而在以往的液压显示设备中只能分别显示液体的压力p和流量q，然后再用公式P=pq计算液压功率，比较麻烦；而且C8051F020芯片集成了大量的外设和IO口资源，在设计系统时，只需使用少量的外围芯片便可完成所需的功能，简化了硬件电路设计，节省了电路板空间，缩小了产品的体积，因而本系统有很广阔的应用前景。

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