數(shù)據(jù)采集課程設計報告

蘭州交通大學PAGEPAGE22摘要現(xiàn)在機務段的檢修設備中的電氣控制和監(jiān)控器繁瑣，不能有效的顯示和控制設備進行精確的操作。大多數(shù)設備沒有聯(lián)網(wǎng)，各設備的操作結(jié)果必須由操作人員填寫表格，遞交車間主管，最后才能交給機務段管理人員。手續(xù)繁雜，效率低下，不能及時準確的將生產(chǎn)情況反饋到管理部門?！皺C務段設備管理信息系統(tǒng)”首次在國內(nèi)對機務段目前使用的各種檢修設備進行信息化改造，對所有檢修數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送上網(wǎng)，做到無紙化作業(yè)，保證了檢修數(shù)據(jù)的科學性和可靠性，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。該系統(tǒng)對于實現(xiàn)機務段的科學管理、保證檢修質(zhì)量、降低檢修成本都起到了關鍵的作用。該系統(tǒng)以8051單片機為主控器，通過擴展A/D接口，鍵盤輸入，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示以及系統(tǒng)報警等相關設備實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的原理與結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用雙CPU控制方式，多路數(shù)據(jù)采集方式有遠端CPU控制，本地單片機控制遠端CPU，雙機間通訊以RS-232C標準進行通訊。實踐證明，系統(tǒng)設計是可行的，并且系統(tǒng)性能可靠,實時性好,實用性強。關鍵詞：數(shù)據(jù)采集

A/D轉(zhuǎn)換

RS-232C第一章緒論……………………...11.1研究的目的和意義……………………..31.2系統(tǒng)的設計概要………..31.2.1開關量的檢測…………………...41.2.2數(shù)字量采集與處理……………..41.2.3模擬量的檢測…………………..4第二章系統(tǒng)的硬件設計……………………62.18051與存儲器芯片2764與6264的擴展…………62.1.1單片機8051的性能及特點…………………62.1.2擴展芯片（2764/6264）的性能及特點……...72.1.38051與存儲器芯片2764與6264的擴展………92.2模擬量的采集設計…………………….92.2.1傳感器的選擇…………………….92.2.2信號調(diào)理電路……………………102.2.3多路開關選擇……………………102.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路設計………………..112.3開關量的輸入設計…………………….132.4脈沖量的輸入設計…………………….142.4.1脈沖量的輸入……………………142.5MAX232實現(xiàn)串行通信……………..15第三章軟件設計……………….163.1主程序…………………163.2模擬量采集程序………173.3開關量采集程序………183.4脈沖量采集程序………18總結(jié)……………...19參考文獻………………………致謝……………緒論研究設計的目的和意義隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術等在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的廣泛應用，工業(yè)自動化系統(tǒng)和儀表也逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，即不僅各類控制設備是數(shù)字化的，而且測控信號也由模擬化向數(shù)字化方向發(fā)展，并通過網(wǎng)絡將分散的控制裝置和各類智能儀表連接起來，實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。數(shù)據(jù)采集與處理的新技術、新方法，直接或間接地引發(fā)其革新和變化，實時監(jiān)控(遠程監(jiān)控)與仿真技術(包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、微機芯片數(shù)據(jù)、可編程控制器PLC、現(xiàn)場總線處理、流程控制、曲線與動畫顯示、自動故障診斷與報表輸出等)把數(shù)據(jù)采集與處理技術提高到一個嶄新的水平。利用機務段各種現(xiàn)有設備，通過加裝數(shù)據(jù)采集接口、文本圖樣顯示器和網(wǎng)絡通訊接口，改造傳統(tǒng)設備，實現(xiàn)機務設備檢修和實驗設備的數(shù)字化，為機務設備檢修過程的計算機管理提供手段。系統(tǒng)可以對機務段檢修設備的工作進行準確的監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，并把檢測數(shù)據(jù)及時送至監(jiān)控計算機，存入數(shù)據(jù)庫，進行統(tǒng)計、打印和歸檔，可以為保證檢修質(zhì)量提供可靠依據(jù)，同時也為機務段加強科學管理，提高經(jīng)濟效益、減少物料和工時浪費、提高檢修效率提供科學手段和工具!1.2系統(tǒng)的設計概要本次設計的主要任務是為了實現(xiàn)機務設備檢修數(shù)據(jù)采集。設備數(shù)據(jù)采集部分要求采集的數(shù)據(jù)分三類：1.開關量的檢測；2.脈沖量的檢測；3.模擬量的檢測。1.2.1開關量的檢測開關量采集包括事件順序記錄（SOE）型開關量和普通型開關量兩種。SOE型開關量信號指事故信號、斷路器分合及重要繼電保護的動作信號。監(jiān)控系統(tǒng)采用中斷方式迅速響應這些信號并進行記錄優(yōu)先傳遞。普通型開關量信號是指除SOE型開關量信號以外的那部分開關量信號，包括各類故障信號、隔離開關的位置信號、設備運行狀態(tài)信號、手動自動方式選擇的位置信號等。監(jiān)控系統(tǒng)對這些信號的采集為掃查方式。對開關量信號的處理包括光電隔離、硬件及軟件濾波、基準時間補償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、啟支相關量處理功能（如啟支事件順序記錄、發(fā)事故報警、畫面自支推出以及自支停機等），最后經(jīng)格式經(jīng)處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。1.2.2數(shù)字量采集與處理數(shù)字量信號主要指水位等BCD碼輸入量。采用多點開關量并行采集，然后轉(zhuǎn)換為相應模擬量數(shù)值。對數(shù)字量的處理包括光電隔離、數(shù)字濾波、碼制變換、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、標度變換等，以格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。1.2.3模擬量的檢測模擬量分為電氣模擬量、非電氣模擬量及溫度量。對模擬量信號的處理包括回路斷線檢測、數(shù)字濾波、誤差補償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、標度換算、梯度計算、越復限判斷及越限報警，最后經(jīng)格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象的檢測、采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應的數(shù)據(jù)庫，并進行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除干擾噪聲、無關信息和不必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復成原來的物理量形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設備上輸出，如打印、顯示、繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當?shù)男问竭M行輸出和顯示。在這個過程中主要用到信息采集板，信息采集板包括CPU、RS232訊通接口、RS485通訊網(wǎng)絡接口等，信號采集獲得開關量和經(jīng)過標準化處理的傳感器信號，進行信號采集，并經(jīng)過數(shù)學處理，然后進行圖文顯示、儲存和網(wǎng)絡通訊。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示：開關量并行接口芯片A/D開關量并行接口芯片A/D轉(zhuǎn)換器隔離電路80C320多路開關信號調(diào)理脈沖量傳感器圖SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)硬件總體框圖第二章系統(tǒng)的硬件設計2.18051與存儲器芯片2764與6264的擴展2.1.1單片機8051的性能及特點單片機8051的特點是它的內(nèi)部有4K字節(jié)的ROM、128字節(jié)的RAM、2個16位的定時/計數(shù)器、4個并行I/O端口和一個全雙工的串行I/O端口。8051的邏輯電路如圖2-1所示。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1其引腳功能如下：Vcc、Vss：5V電源的的正端和接地端。RESET：復位輸入端，+5V電源通過RC微分電路接至復位端，可實現(xiàn)上電自動復位，也可采用按鈕開關復位。:內(nèi)部和外部程序存儲器選擇端。ALE：地址鎖存允許信號輸出端，用作對片外存儲器訪問時，低字節(jié)地址的鎖存。ALE以1/6振蕩頻率的穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或定時。：外部程序存儲器讀選通信號輸出端。P0、P1、P2、P3：四個8位的I/O端口，用來輸入輸出數(shù)據(jù)。此外在I/O端口還包括了一些控制信號線。2.1.2擴展芯片（2764/6264）的性能及特點內(nèi)存是計算機系統(tǒng)不可缺少的部件，一臺計算機的內(nèi)存是指CPU能夠通過指令中的地址碼直接訪問的存儲器，常用于存放處于活動狀態(tài)的程序和數(shù)據(jù)。按照存取方式存儲器可分為：隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）等。（1）只讀存儲器是一種只能對其內(nèi)容只能讀、不能寫入的存儲器，它的主要功能是存儲程序、常數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)等，這些信息的共同特點是計算機工作過程中他們一直保持不變，CPU只能對其所在單元進行讀操作不能進行寫操作,常用的芯片為27系列。只讀存儲器的管腳分為總線部分、電源部分、控制部分。各引腳功能如圖2-2所示。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2D～D—數(shù)據(jù)線。A～A—地址線，n是地址線個數(shù)。Vcc，GND—電源線和地線。Vpp—編程電壓?！x控制線?！x線。（2）隨機存儲器是指計算機可以隨意的、個別的對各個存儲單元進行訪問，訪問所需的時間基本固定，與存儲單元的地址無關，它的功能主要是存儲程序、變量等?？梢噪S時改變并釋放內(nèi)存。常用的有61系列和62系列。隨機存儲器的管腳分類：總線部分、電源部分、控制部分。各引腳功能如圖2-3所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3D～D—數(shù)據(jù)線。A～A—地址線，n是地址線個數(shù)。Vcc，GND—電源線和地線。—寫控制線?！x線。8051與存儲器芯片2764與6264的擴展擴展圖如圖2-4所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC48051與存儲器芯片2764、6264的擴展圖如上圖所示，通過線選法實現(xiàn)了2764與6264擴展成的16KB程序存儲器，2764與6264的地址線A0～A12與地址線的A0～A12對應相連，2764與6264的地址線與數(shù)據(jù)總線A0～A7對應相連，2764與6264的輸出允許控制線連在一起與8051的WR\連在一起，2764的片選信號線與8051的地址線P2.5直接相連，6264的片選信號與8051的地址線的P2.5取反后相連，故當P2.5為0時選中2764，為1時選中6264.2.2模擬量采集設計模擬量的采集模塊由8051單片機、A/D轉(zhuǎn)換器ADS774、傳感器、信號調(diào)理、多路開關等幾部分組成。2.2.1傳感器的選擇傳感器是感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用于輸出的信號的器件或裝置實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件。如果沒有傳感器對原始被測信號進行可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，測量和控制的任務都無法實現(xiàn)，因此我們需要對傳感器和信號處理電路有一個比較清楚的認識，并掌握傳感器的使用和信號調(diào)理電路。傳感器的種類繁多，分類方法也較多，按照構(gòu)成原理可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩類；按照信號轉(zhuǎn)換效應來分，可分為物理型、化學型及生物型等，而這次的數(shù)據(jù)采集我們使用的是溫度傳感器，常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、光輻射溫度計、半導體集成溫度傳感器、數(shù)字式溫度傳感器等，在數(shù)據(jù)采集設計中的熱電偶傳感器是測量中使用最廣泛的傳感器之一，其測量溫區(qū)寬，一般在-180℃～2800℃的溫度范圍內(nèi)均可使用，測量的準確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內(nèi)有較高的精度。熱電偶在一般的測量和控制系統(tǒng)中用于高溫區(qū)的溫度檢測。在這個模塊設計過程中，選擇熱電耦傳感器來測量溫度，測量范圍在-180℃～2800℃。2.2.2信號調(diào)理電路測得值經(jīng)隔離放大電路放大，將模擬量送到AD7501。調(diào)理電路如圖2-5所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC5信號調(diào)理電路2.2.3多路開關選擇AD7501是典型的有譯碼器的多路開關。由圖2-6可見：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC6AD7501采用16腳雙列直插式封裝，具有8個輸入信道，一個輸出信道的多路CMOS開關。由三個地址線(A0,A1,A2)及使能端EN的狀態(tài)來選擇8個輸入信道之一與輸出端導通。2.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路設計A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。ADS774是一種具有采樣/保持功能的12位A/D轉(zhuǎn)換器。ADS774有內(nèi)部時鐘、微處理器接口、電容陣列、三態(tài)輸出緩沖以及內(nèi)部量程電阻等電路組成。模擬輸入范圍可以是0～10V、0～20V、±5V、±10V。最大轉(zhuǎn)換時間不超過8.5s，功耗小于120mW。模擬量經(jīng)AD7501輸出后送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS774中。ADS774有兩個輸入口，一個是0～10V的輸入，一個是0～20V的輸入。根據(jù)測量范圍選擇輸入端口。模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入CPU處理。（1）ADS774的引腳排列如圖2-7所示。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC7：數(shù)據(jù)輸出方式控制。=1對應12位的并行輸出，=0對應8位雙字節(jié)輸出；其中A0=0時，輸出高8位，A0=1時，輸出低4位，并用零補足尾隨的4位。芯片選擇端，=0時，選中；=1時，未選中。A0：數(shù)據(jù)輸出方式控制。A0=0時，按12位A/D轉(zhuǎn)換方式工作；A0=1時，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式工作。：工作狀態(tài)控制端。CE：芯片選擇端，高電平有效。REFIN:參考電壓輸入端。REFOUT:參考電壓輸出端。BIPOFF:雙極性偏置端。10VIN：0～10V模擬電壓輸入端。20NIN；0～20V模擬電壓輸入端。AG:模擬地。DG:數(shù)字地。DB0～BD11：12位數(shù)據(jù)輸出端。STS：工作狀態(tài)輸出端。2.3開關量的輸入設計開關量的輸入才用了74LS244擴展的并行輸入口。74LS244是單向數(shù)據(jù)緩沖器帶兩個控制端和，當它們?yōu)榈碗娖綍r，輸入端A1～A8的數(shù)據(jù)輸出到Q0～Q7。74LS244的引腳排列如圖2-8所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC8、與8051的P2.6相連，當開關閉合時，發(fā)光二級管導通，三級管導通，當P2.6為低電平時，74LS244工作。2.4脈沖量的輸入設計2.4.1脈沖量的輸入脈沖量經(jīng)光電耦合器去除干擾后送入8051單片機。脈沖量的輸入電路如圖2-9所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC92.5MAX232實現(xiàn)串行通信此本系統(tǒng)采用美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的串行總線的物理接口標準RS-232-C，其邏輯電平對地是對稱的，采用負邏輯。完全與TTIMOS電平不同。邏輯0電平規(guī)定為+5V～+15V之間，邏輯1規(guī)定為-5V～-15V之間，因此RS-232C驅(qū)動器與T'IZ,電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。該標準最大傳輸率是20Kb/s，最大傳輸距離為1s/m。此本系統(tǒng)采用MAX232芯片進行RS-232-C和TTL之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232線路驅(qū)動器接收器適用于噪聲嚴重環(huán)境下的RS-232通信，它有2個驅(qū)動器和2個接收器，每個發(fā)送器的輸入和接收器的輸入無需封閉均可抗士15kV的靜電放電沖擊。通訊電路。其“R1OUT”和“TlIN”分別接在80551的RXD(10)和TXD(11)腳上。MAX232的接線圖如圖2-10所示。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC10軟件設計此次設計課程設計軟件設計涉及開關量的采集，脈沖量的采集，模擬量的采集和8051單片機主程序的編程。3.1主程序ORG0000HORG0000HAJMPMAINORG1000HMAIN:NOPNOPNOPNOPMOV03H,#00HMOV04H,#00HMOV05H,#00HKGLPD:JB03H,CJKGLSJMPKGLPDMCLPD:JB04H,CJMCLSJMPMCLPDMNLPD:JB05H,CJMNLSJMPMNLPD開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化采集模擬量采集模擬量采集完否？N采集完否？NYY采集開關量采集開關量采集完否？N采集完否？NYY采集脈沖量采集脈沖量采集完否？NN采集完否？NNYY結(jié)束Y結(jié)束Y圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1主程序流程圖3.2模擬量采集程序8路的模擬量采集系統(tǒng)，由單片機8051，8路模擬開關AD7501、采樣/保持器AD210、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS774完成數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換。模擬量的采集流程圖如圖3-2所示。YY啟動A/D（=R/=0,CE=1）讀STS狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果允許輸出（=0,CE=R/=0）通過8051P0口分別讀出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果存入緩沖地址指針賦值置起始通道數(shù)開始NMOVDPTR,#0700MOVX@DPTR,ASETBP3.3LOOP:JBP3.3LOOPINCDPTRMOVXA,@DPTRMOV41H,AINCDPTRINCDPTRMOVXA,@DPTRANLA,#OFHMOV40H,ARETI返回圖3-SEQ圖3-\*ARABIC23.3開關量采集程序開關量的采集流程圖如圖3-3所示：開始開始==074LS244工作？開關信號采集返回YN圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3CJKGL:NOP;延時CLREA;關中斷MOVDPTR,#BF00H；數(shù)據(jù)指針指向BF00HCLRC;計數(shù)器置0MOVXA,@DPTR;DPTR所指地址中的數(shù)送A中MOV03H,A;A中的數(shù)放入內(nèi)部RAM中RLCA;循環(huán)左移，JCPDIKG;有進位則到PDIKGPDIKG:RLCAJCPDIKGSETB03HLJMPPDIKG3.4脈沖量采集程序由于脈沖量可以直接被單片機識別，所以不需要任何轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，僅需要進簡單的隔離處理即可進入單片機。其處理程序如下，