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1引言

在现实世界中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号），这一过程即是数据采集。

数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的综合技术。

它在许多领域得到了广泛的应用[1]。

数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求。

随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了所谓的数字化测量技术．数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进—步处理的数字信号。

具体来说，就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。

本文在研究单片机技术、单片机数据采集及单片机通信技术的基础上，设计并实现了基于单片机的多通道数据采集系统，该系统具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域[2]。

1.1课题研究的背景及意义

数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景[3]。

随着电子技术的迅速发展，，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。

一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以前有了较大的提高。

其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。

这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。

本课题研究的对象是采用51单片机、串行A/D转换器、12864中文液晶屏、基于I2C总线E2PROM存储器AT24C1024。

该系统可将各种标准变送器送来的模拟电信号经过A/D转换和程序运算处理转换成相应非电量的数值并实时显示和存储[4]。

1.2国内外研究状况

随着测试测量和控制应用的要求变得愈发苛刻，数据采集（DAQ）板制造商正在提供吞吐速度更快、集成度更高、灵活性更强，且更易于编程的数据采集板。

数据采集器是目前工业控制中应用效多的一类产品，数据采集器的研究在国内外已经相当成熟，而且数据采集器的种类不断增多，功能越来越强大，主要体现为体积小、功能多样、和使用方便等方面。

比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、、使用灵活的数据采集器。

它可单独使用又可与计算机连接使用，它具有多种测试功能，多种数据存储功能和控制方式。

MeasurementComputing公司的最新产品包括USB-1608HS和USB-1608HS-2A0。

这些模块提供真正同时发生的数据捕获，以每通道250kHz的采样率对最多8个通道的16位单端或差分模拟输入数据进行采集。

这两款产品都包含16位的数字I/O，USB-1608HS-2A0还额外包含两个信号范围在-10到+10V的16位模拟输出通道【5】。

随着BAQ板制造商使用速度更快的信号转换器及其他高速设计技术，数据采样率也在不断增长。

几年以前，采样率最快就是用于音频的200ksps，由于技术进步，目前的采样率可以达到500ksps。

今天，更多的DAQ板开始集成通用串行总线（USB）。

除MeasurementComputing公司之外，NI公司也发布了USB-6221和USB-6229DAQ板，提供最多32个模拟输入和250ksps的单通道采样率。

尽管从目前来看，PCI和PXI是很多最新DAQ板中的通用接口总线，但USB却显示了强劲的发展势头。

由于便携应用的需要，USB已经变成流行的DAQ总线。

同PCI相比，USB采集板存在等待时间较长的问题，这是因为USB基于操作系统的访问方式和串行性质降低了数据传输率【6】。

在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现各种新型的数据采集器。

例如北京凯文斯系统集成系统有限公司E16（单端），可编程增益为1，2，4，8倍，分辨率为十六位，采用率为16位，采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度，一般60～80KHZ[5]。

国内的数据采集器与国外的数据采集器相比，在技术上仍有一定的差距。

目前国内的数据采集器在高精度、高速度、实时数据采集和数据采集器的现场处理能力等方面仍有不足，不能满足运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域的要求[6]。

1.3本课题主要研究内容

1.3.1单片机技术

在信号采集系统中，单片机主要担当控制ADC，并对采集到的数据传输到上位机的角色，同时若上位机反馈信息、指令，单片机收到指令后还需对外围设备进行相关的控制。

单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低。

目前用的比较多的单片机有以下几种：

（1）MCS5l单片机

MCSSI系列单片机开始是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的[121，但现在以MCS51技术核心为主导的单片祝已成为许多厂家、电气公司竟相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能．例如ATMEL公司推出的AT89S51单片机，,PHILIPS公司系列单片机，华邦（WINBOND）,Silicon公司出品的C9051Fxxx单片机。

以现在常用的AT89C51为例：

AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytcs的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51系列指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程，片内置通用8位微处理器和FIASH存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域[9]。

（2）PIC单片机

由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品。

首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。

在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。

现今的PIC单片机已成为世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。

PIC8位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是PIC系列单片机在结构上与其它单片机不同。

该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。

这种结构与一般采用CISC（复杂指令集计算机）的单片机在结构上是有不同的。

PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。

而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。

上述各项，就是PIC系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因[11]。

（3）AVR单片机

AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。

ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势。

该系列的程序存贮器是在片内的Flash存贮器，可以反复修改上于次、这对新产品开发，产品升级都是很方便的。

单片机的指令基本上都是单个晶振周期的，能够到lMIPS/MHS的性能。

该系列单片机针对应用C语言编程做了优化。

这一系列单片机好的多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式有利于降低系统功耗．再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入，嗍输出等功能，它也可以称为“零外设”的单片机，具有片上系统（SOC，systemoilchip）的雏形。

因此AW单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越性能。

AVR单片机家族已经发展成为一个很全的系列：

包括TINYAVR、MEGAAVR、LCDAVR、USBAVR、FPGAAVR等类别。

。

TinyAVR系列的典型芯片如Tinyll、Tinyl2、Tinyl3等等，这一类型的单片机的特点是很好的把价格、性能和灵活性结合在一起，典型的应用包括锂电池充电器、冰箱控制和门禁系统等等。

AVRmega系列的典型芯片如AtmegaS,Atmegal6等等，这一类型的单片机的特点是带有具有自编程能力的程序存储器，可以通过SPI、USART、和二线制接口（IC）编程，适合于需要远程编程和现场升级的应用领域；同时该类型单片机具有很全的外围设备适合于多种应用。

同时还有一些增加了面向特殊应用具有特殊功能的单片机。

这些单片机都是在相同的AVR的基础上加上了面向应用的特殊功能，LCDAVR加上了LCD驱动器比如Atmegal69能够驱动4X25段的LCD。

USBAVR单片机例如：

AT43USB351M集成了USB的物理层和数据链层的硬件协议，同时由AVR核通过编程实现传输层的实现。

DVDAVR例如：

AT78C1501内部通过AVR核实现内部数据通道核缓存的控制。

．FPGAAVK例如{AT94KOSA则内部集成有FPGA．这些类型构成了AVR系列单片机的庞大家族，使AVR在相应应用领域发挥独特性能。

尽管AVR系列单片机型号繁多，功能各异，但是所有AVR单片机都有相同的存储器结构和指令集，因此各系列AVR单片机之间的代码移植是很方便的。

不同系列单片机都会分别具有配置不同的SRAM，EEPROM，外部SRAM的接口，AD转换器，硬件乘法器，UART，USAIIT等等外围设备[12]。

1.3.2数据采集技术

对于数据采集系统中使用哪种技术取决于对下列因素的权衡：

（1）分辨率。

由于精密元件成本高，所以随着分辨率的提高，A/D转换器的价格也会急剧上升。

8位分辨率的模拟多路器的每通道价格几乎相当于一个转换器的价格。

分辨率高于12位时，情况则相反，模拟多路切换趋于更加经济。

（2）通道数。

通道数决定所用多路器的大小、连线数量以及内部连接。

在许多情况下，把数字多路器连到共用数据总线上，可使连线数量降到最低。

模拟多路切换适用于8～256个通道；超过这个数目，此技术就难以应用，模拟误差也很难减小。

在大系统中，模拟和数字多路切换技术常结合在一起应用。

（3）检测速度或吞吐量。

高速A/D转换器会使系统造价大幅度上升。

如果模拟多路器要求高速转换器以达到所要求的采样速率，那么，每一通道配置一个低速转换器，并进行数字多路切换就会便宜些。

（4）信号电平及调理。

对模拟多路切换而言，要使诸通道间具有宽广的动态范围是很困难的。

低于iv的信号，一般要求价格昂贵的、差分低电平模拟多路切换，而且在MUX（多路器）操作之后，还要有可编程增益放大器．另一种方法可能更有效，这就是：

每个通道用一个放大倍数固定的运算放大器，并针对该通道的要求设计信号调理，同时采用数字多路切换。

（5）检测点的物理位置。

鉴于模拟信号存在衰减、传输线反射以及干扰等问题，模拟量多路切换适合于距转换器几百英尺以内的检测。

依据信号电平、传输距离以及环境噪声，传输线可从双绞线到多芯屏蔽电缆。

如果有合适的传输设备，在几千英里范围之内，均可进行数字切换操作，因为数字传输系统能提供长距离传输所要求的功能强大的抑制噪音特性[13]。

1.3.3通信技术

通信是信息的处理、传输与交换过程，也就是信息的交流。

我们通常把信息的发生者称为信源，信息的接收者称为信宿，传播信息的媒介称为载体，信源和信宿之间的信息传输的途径与设备称为信道。

通信技术是研究如何将信源产生的信息，通过传输媒介，高效、安全、迅速、准确地传送到受信者的技术。

通常，根据传输介质的不同，通信技术可分为有线通信技术和无线通信技术两大类；根据传输信号类型的不同，通信技术可分为模拟通信技术和数字通信技术。

计算机通信按接口来分可分为并行通信方式和串行通信方式。

（1）并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。

发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。

接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。

并行方式主要用于近距离通信。

计算机内的总线结构就是并行通信的例子nSl。

这种方法的优点是传输速度快，处理简单，缺点是所需连接线多，远距离通信时成本高。

（2）串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用[14]。

串行传输类型主要有以下几种：

1）R8--232串行通信接口

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

路一232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

收、发端的数据信号是相对于信号地．典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。

当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电平在+3～+12V与﹣3～﹣12V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7k欧。

所以RS232适合本地设备之间的通信。

计算机上的串行通信端口RS-232是标配，虽然与现在的一些新出的标准相比，RS--232通信数据低，传输距离短，但由于其控制相对简单，设计成本低，在许多工控设备、电子测量仪器上都备有RS-232通信端口。

一般的计算机将COMI以9Pin的接头接出[15]。

2）RS-422串行通信接口

如果在工业环境杂讯干扰较强，用RS-232作为传输就会容易收到干扰，使信号发生错误。

为此常改用RS-422传输方式。

RS-422的信号将被传送出去时会先分成正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原回原来的信号。

这样可有效防止杂讯的干扰，传输距离和速度也得到提高。

RS-422与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使一对双绞线，将其中一线定义为A，另—线定义为B．通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在﹣2～﹣6V，是另一个逻辑状态。

另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。

“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。

当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“O”的第三态．RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。

典型的RS-422是四线接口。

实际上还有一根信号地线，共5根线。

其DB9连接器引脚定义。

由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可按10个节点。

即一个主设备（Master其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。

接收器输入阻抗为4K，故发端最大负载能力是10×4k+100欧（终接电阻）。

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON／X0FF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现[18]。

RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。

其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为lMb/s。

3）RS-485串行通信接口

由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿：

如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。

RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。

而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是－7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用．RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为100Mb/s。

平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。

只有在很短的离下才能获得最高速率传输。

一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

4）USB通用串行通信接口

USB通用串行总线接口是现在比较流行的接口，它最大的好处在于能支持多达127个外设，外设可以独立供电，也可以通过USB接口从主板上获得500mA+5V的电流，并且支持热拔插，真正做到即插即用。

USB的带宽容量可容纳多种不同的数据流，因此可连接大量的设备，并且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同比特率，而且可动态变化。

USB接口有着功能强大、传输速度高、连接外设数量多，可向外设提供电源等特点，其应用越来越广，但是USB接口的上位机（即PC机）程序的开发有着开发难度大、涉及知识面广，开发周期长等特点，同时在下位机（即单片机）硬件设计时必须选用带有USB接口的单片机或扩展专门的USB接口芯片，这必然会给下位机的软硬件系统设计增加难度并提高了软硬件成本。

所以，USB接口通常用于对传输速度要求高、传输功能复杂、或需上位机提供电源的外设和装置上[19]。

2基于单片机的多通道数据采集系统总体方案设计

2.1总体方案设计概述

数据采集是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量后，再进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。

它包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。

基于单片机的多通道数据采集系统一般都使用单片机进行数据采集及控制，通过单片机与PC机的通信将数据传送到PC机。

基于单片机的数据采集硬件系统结构框图如图2.1所示：

图2.1基于单片机的数据采集系统结构框图

该系统从结构上可将其划分为两个部分：

（1）单片机数据采集：

包括单片机、A/D转换电路、显示电路、按键电路，实现模拟数据的转换及采集，PC机与单片机问数据通信：

（2）PC机数据处理：

对单片机采集的数据的接收、处理及反馈。

系统设计的基本工作流程如下：

（1）系统通过按键或单片机与上位机的通信设置系统的工作模式；

（2）系统通过传感器采集模拟信号；

（3）采集的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号；

（4）单片机将A/D转换器传过来的数字信号进行处理，将数据通过液晶屏显示、存储、或上传上位机；

系统的功能与技术指标：

（1）数据采集通道11路

（2）精度：

±0.01%

（3）输入信号范围：

4～20mA或0～5V

（4）环境湿度：

0-90%RH

（5）环境温度：

﹣20～60℃

（6）供电电源：

5V（AC）

（7）与上位机PC通讯接口；RS232串行接口

2.2本次设计需要完成的任务

（1）具有采样模式转换功能，可以进行单通道采样、多通道循环采样等采样模式之间的转换；

（2）具有采样频率转换功能，可以进行高频采样、低频采样；

（3）具有A/D转换，按键触发功能；

（4）采样所得到的结果要传输到PC机。

2.3系统硬件电路设计原则

一般在系统硬件电路设计应遵循以下原则：

（1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，且符合单片机应用系统的常规用法。

（2）硬件结构应结合应用程序设计一起考虑。

软件能实现的功能尽可能由软件来完成，以简化硬件结构。

但“软化”的结果可能使响应时间比硬件长。

在实时性要求高的场合应采用硬件完成。

（3）系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。

（4）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。

（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分。

2.4系统硬件器件设选择

（1）货源充足，所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定充足、具有成熟的开发设备。

（2）性价比要高，在保证性能指标情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较高的性价比。

（3）研制周期短，在研制任务重、时间紧的情况下，应考虑采用自己比较熟悉的系列、型号。

2.5单片机及编程语言的选择

目前单片机的发展速度较快，单片机的型号繁多，要根据设计系统的功能要求、性能指标及价格等选择型号，一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机：

控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。

51系列单片机以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、可重复编程和方便功能扩展等优点，在市场上得到广泛的应用。

本系统采用SCT89C52型号的单片机作为本系统的控制中心。

单片机应用系统的软件主要包括两大部份：

用于管理数据采集系统工作的监控程序、系统主程序和各项功能子程序。

根据系统软件的总体构思，按照先粗后精的方法，把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。

应明确规定各模块的功能，尽量使每个模块功能单一，各模块间的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可能使各模块间的联系减少至最低限度。

最后再将各个模块连接成—个完整的程序进行总的调试

目前单片机的程序编写一般用C语言或者汇编语言。

汇编语言是一种面向机器的程序语言，其可以直接控制硬件，指令执行速度快，且指令时间固定，因而汇编语言的执行效率很高。

但其语言格式比较晦涩、可读性差、难以编写与调试，也不便于移植，影响了程序代码的共享。

与汇编语言相比，单片机C语言在结构上更易理解、可读性强、且开发速度快、可靠性好、易与移植。

因此，使用单片机C语言进行单片机系统的开发，可以缩短开发周期、降低开发成本，随着单片机硬件系统的发展和产品更新速度的提升，单片机的开发越来越侧重程序本身的开发效率。

因此单片机C语言已经成为目前最流行的单片机开发语言【12】。

3系统硬件设计

3.1硬件系统的总体结构

系统的原理图见附录1系统共有6个按键，其中Button1、Button2按键为自锁按键，Button2用于控制系统电源的通断。

S1按键为单片机系统的中断按键。

按键K1用于选择数据采集的工作方式，本系统共有单路数据采集采集值只显示、四路数据采集采集值只显示、单路数据采集采集值显示并存储、多路数据采集采集值显示并存储四种工作方式。

当Button1按下锁定时，K2键用于选择存储时每