数据采集与传输系统的设计与实现.docx
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数据采集与传输系统的设计与实现
毕业设计(论文)
题目
数据采集与传输系统的设计与实现
院(系)信息科学与工程学院电子系
专业电子信息工程
届别
学号
姓名
指导老师
摘要
由于电子技术的迅速发展,特别是单片机,以其高可靠性、高性能价格比,在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。
在生产过程中有时需要多个单片机作为下位机直接对生产过程进行检测和控制,这就需要两机或多机间进行数据传输。
双机通讯主要是利用单片机内部的全双工串口的发送和接收功能,而简单的单片机串口通讯的传输距离较短,所以须经过调制解调器使传输距离增长。
单片机系统采集的信号有的是模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。
现在,绝大多数传感器输出的信号都是模拟信号量,电流和电压。
所以模拟信号的采集应用最为广泛,处理过程也相对复杂。
相比于模拟信号PWM信号和数字逻辑信号的采集比较直接,单片机能够直接处理这类信号,无需额外的器件进行信号转换。
系统采用单片机技术进行现场模拟电压采样处理并进行数据传输,将外部采进来的模拟信号转换成数字信号,经过调制、滤波、解调之后,在另一单片机最小系统板将采集的数据结果显示出来,完成了整个数据采集与传输过程。
系统具有发送端设定8路顺序循环采集与指定某一路采集的功能。
关键词:
数字采集;单片机;A/D采样;调制;解调
ABSTRACT
Aselectronictechnologydevelopingrapidly,withSCMhighreliability,highperformanceandlowcostinindustrialcontrolsystems,DataAcquisitionSystem,intelligentinstrumentation,officeautomationandotherareastobeextremelywidelyapplication.IntheproductionprocessisnecessaryasanumberofSCMundertheplandirectlytotheproductionprocessmeasurementandcontrolsometimes,Thisrequirestwoormoreaircraftmachineexchargdatatransmission.Communicationisbetweenthemainmicroprocessorinternalfull-duplexserialtransmitandreceivefunctions,andsimplemicrocontrollerserialcommunicationtransmissiondistanceshort,itisrequiredtomakeamodemtransmissiondistancegrowth.
SCMSystemAcquisitionsomeofsimulation,voltagesignalsimulationcurrentsignal,PWMsignal,digitallogicsignalandsoon.Now,thevastmajorityofthesensoroutputsignalsareanalogvolume,currentandvoltagesignal.Soanalogsignalacquisitionismostwidelyused,theprocessisrelativelycomplex.ComparedtotheanalogPWMsignalanddigitallogicsignalsinthecollectionofdirectcomparison,SCMcanhandlesuchdirectsignalwithoutadditionalsignalconversiondevice.
SCMsystemusessimulationtechnologyforon-the-spotsamplingvoltageprocessinganddatatransmission,externalminingenteredtheanalogsignalintodigitalsignals,aftermodulation,filteringanddemodulation,Inanothermicrocomputerminimumsystemboardwillcollectthedatashow,andcompletedtheentiredatacollectionandtransmission.Thissystemhasseteight-wayacquisitionsequenceandcyclepathwithadesignatedcollectionfunctions.
Keyword:
datacollection;SCM(Single-chipmicrocomputer);analogue-digitalconversion;modulation;demodulation.
第1章绪论5
1.1课题研究的意义5
1.2国内外研究现状6
1.3论文研究的内容7
第2章设计方案提出9
第3章系统硬件设计11
3.1电源电路设计11
3.2时钟电路11
3.3LCD显示模块12
3.4数据采集与转换模块14
3.6.1AT89S51芯片16
3.6.2ADC0809芯片18
3.6.3NRF24L01芯片20
第4章系统软件设计23
4.1系统工作总流程图23
4.2编码调制流程图23
4.3译码解调流程图24
第5章系统测试26
结论27
致谢28
参考文献29
附录30
第1章绪论
1.1课题研究的意义
在数字技术飞速发展的今天,将各种模拟信号转化为数字信号并进行相应的处理不仅可以提高系统性能还可以充分利用数字信号的各种处理算法来提高系统的灵活性和可靠性。
随着单片机的运算速度的提高,在一些由单片机构成的较小系统中对信号进行实时处理己经成为可能,并且越来越受到人们的重视。
这就要求作为最底层的数据采集系统既要具有很高的采样速率。
又要能提供更丰富的原始数据信息。
系统经常需要采集各种模拟量信号、数字量信号,并对它们进行相应的处理。
常规采集方案为:
1)由单片机直接控制的采集方案。
这是一种最简单最常用的控制方式,但是,由于每次采样都要有单片机的参与,占用了单片机的时间,影响了其数据处理的能力。
并且对于多通道、多个A/D转换器的控制,当系统中要采集的信号量很多时(特别是各种信号量、状态量),仅仅靠用普通MCU(微控制器或单片机)的资源往往难以完成任务。
此时,一般只能采取多MCU联机处理模式,或者依靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的监测任务。
这样做不但增加了大量的外部电路和系统成本,而且大大增加了系统的复杂性,因而系统的可靠性就会受到一定的影响,这显然不是设计者所愿意看到的。
2)由DMA控制的采集方案。
此方案硬件电路复杂,若与单片机配合使用,需要单片机具有总线挂起功能(Hold功能),否则还需要进行总线切换。
在总线挂起的时候,单片机就不能访问外部存储器和外部端口,如果单片机要访问外部数据,也只能等待总线的释放,这样就带来很多不方便,也影响了数据的及时处理。
显而易见,传统的设计思路不但要使用大量的外围芯片,而且需要主处理器直接去控制各种采集模块和控制模块,并完成各模块和通道的自检。
因此,这种解决方案需要占用主处理器大量的工/0资源和处理时间。
然而,一般处理器的工/0资源极其有限,而且又要求大量的汇编软件配合,这就使设计移植变得比较困难;此外,由于工/0的频繁操作也不利于系统调度软件的设计和其他软件模块的实时执行,因而在现场更难以组成分布式控制管理系统。
可见,如果采用传统的设计方法,不但使系统设计较为庞大,而且开发成本高、设计周期长、设计效率低。
所以,传统的设计思路在远程多路数据采集系统中是不可取的。
随着工艺水平的进步,CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)/FPGA(FieldProgrammableGateArray)等可编程器件的速度和规模都有T很大的提高,而且它们具有集成度高、体积小、功耗低、设计灵活等优势,这样就为利用可编程器件实现高速数字信号处理开辟了道路屯目前新一代的CPLD/FPGA等可编程器件,不仅在速度上能满足高速数字信号处理的要求,而且可编程资源也大大增加,在系统级集成方面也能满足需要,从而提高了系统的灵活性和适应性。
因此,在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的情况下,FPGA/CPLD能够提供比专用高速数字信号处理器件更高的系统速度和更好的解决方案。
1.2国内外研究现状
数据采集系统起始于20世纪50年代,由于数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。
大约在60年代后期,国外就有成套的数据采集设备产品进入市场,此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统,因此获得了惊人的发展。
从70年代起,数据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言,实验室数据采集系统多采用并行总线,工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
20世纪80年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了极大的发展,开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类,一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。
例如:
国际标准ICE625(GPIB)接口总线系统就是一个典型的代表。
这类系统主要用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成,例如:
STD总线系统是这一类的典型代表。
这种接口系统采用积木式结构,把相应的接口卡装在专用的机箱内,然后由一台计算机控制。
第二类系统在工业现场应用较多。
这两种系统中,如果采集测试任务改变,只需将新的仪用电缆接入系统,或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。
显然,这种系统比专用系统灵活得多。
20世纪80年代后期,数据采集系统发生了极大的变化。
工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,使系统的成本降低,体积减小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强.
20世纪90年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统(DAS)。
目前有的DAS产品精度已达16位,采集速度每秒达到几十万次以上。
数据采集技术已经成为一种专门的技术。
在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展。
典型系统有VIX总线系统。
PCI、PXI总线系统等,数据位已达到32位总线宽度,采样频率可以达到100MSps。
由于采用了高密度,屏蔽型,针孔式的连接器和卡式模块,可以充分保证其稳定性及可靠性,但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。
但是,并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展,可靠性不断提高。
数据采集系统物理层通信,由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤,所以其技术得到了不断发展和完善。
其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。
由于目前局域网技术的发展,一个工厂管理层局域网,车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起,可以有效地把多台数据采集设备联在一起,以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
1.3文研究的内容
数据采集与传输系统是一种模拟量测量设备,其任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统,根据不同的需要进行相应的计算和处理。
它将模拟量采集、转换成数字量后,再经过处理得出所需的数据。
同时还利用用计算机将得到的数据惊醒储存、显示和打印,以实现对某些物理量的监视,其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。
本文介绍的是一种基于以ATMEL公司89C51单片机为核心,采用ADC08098位串行A/D转换器构成的采样系统。
被测电压经ADC0809循环采样后的数字信号送入AT89C51单片机,然后经过无线发射端NRF24l10把数据发送出去。
接收端则由另一个NRF24l10接收,经过单片机的解码,最后送入LCD中显示出模拟数据。
第2章设计方案提出
在通信过程中,多路信号要传输,为使它们能够区别,选用不同频率的载波信号。
在测量中,通常噪声含有各种频率,将信号调制到某一个载波频率上,只让载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过,就可以有效的抑制噪声,这一过程称之为调制。
在接收端,对已调制的信号恢复出原来的信号的过程称之解调。
简单的解调方式有非相干解调(检波)。
非相干解调方法是信号通过一个检波二极管,再经过一低通滤波器就可以获得原始的模拟信号,优点是降低接收机成本,提高整机的通信可靠性。
根据题目的基本要求,可将其划分如下几个部分:
1)8路模拟信号采集
2)对数据进行AD转换处理
3)二进制数字调制
4)二进制数字解调
5)接收端采集结果显示
分析一下信道与信噪比情况。
本题中码元传输速率为16kbps,而信号被限在30~50kHz的范围内,属于典型的窄带高速绿数字通道。
基带信号的带宽为Bm=16kHz,经调制后能量主要分布在2Bm=32kHz的频带内(功率频谱密度的主瓣),而噪声近似为0~43kHz×((1/Ts)×45%)的窄带百噪声因此经过带宽仅为20kHz的信道后信号与噪声的能量损比较大,而且两者大致相当。
根据香农公式C=Blog2(1+S/N)知,信号和噪声幅度比值为3:
1时,信噪比约为9,信道传输信息的极限能力约为66.5kbit/s;幅度比值为1:
1时,传输极限能力为40kbit/s。
方案一:
常用的数字调制系统有ASK、FSK、PSK等。
其中FSK具有较强的抗干扰能力,但其要求的带宽最宽,频带利用率低,所以首先排除。
ASK理论上虽然可行,但在本题中由于一个码元内只包括约两个周期的载波,所以采用报络检波法难以调解,也不可行。
PSK调制和调试都比较困难。
特别是由于本题中载波的频率非常低,几乎可与基带信号相比拟,一个码元只包括约两个周期的载波,载波的提取和跟踪非常困难,因此解调设备的制作和调试会比较困难,短时间内很难完成。
方案二:
直接利用NRF24L01无线传输模块进行调制与解调。
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
发送端调制器将数据的发射频率跳到某个适当频率后发送到无线信道中进行传输。
接收端调制器则将天线接收的数据解调后得到基带信号,然后将数据送到单片机中进行数字处理。
综上所述,第二种方案有以下优点:
1.实现方法简单,避免了PSK解调时复杂的载波提取和位同步提取电路
2.有足够的定位信息,直流漂移较少。
3.系统具有比较宽的数据传输范围:
16-48kbps。
虽然已调信号的带宽已超过了信道的3dB带宽范围,但是由于已调信号的大部分能量仍然在信道的带宽范围内,所以对于正确解调影响不大.
图2.1系统原理设计图
第3章系统硬件设计
3.1电源电路设计
电源电路为整个电路提供电源,是电路设计不可缺少的一部分。
电源电路的稳定性决定着整个电路的可靠程度。
在本设计中,整个电路需要+5V电源。
从简单方便,便于携带出发,外部电源电路是用4节5号电池组成的直流串联电路。
外部电路电压不会过高,因此可以避免特殊情况下对系统的损坏。
然后电压经过三端集成稳压器7805稳压后输出正5V直流电源。
电源电路图如下图
图3.1电源原理图
此外NRF24L01需要3.6V的电压进行供电,所以不能对它直接供电。
因此要在三端集成稳压7805和NRF24L01之间加入AM1117进行降压。
经过AM1117的降压后输出适合NRF24L01的3.6V电压。
3.2时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚
,输出端为引脚
,在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容,形成反馈电路和微调电容,形成反馈电路,就构成了一个稳定的自激振荡器。
此电路采用6MHz的石英晶体。
时钟电路如图3.2所示。
图3.2时钟电路
3.3LCD液晶显示器模块
将单片机的P2-7端口连接RS,控制LCD的寄存器。
单片机的P2-6端口连接RW,读写信号。
单片机的P2-5端口连接E(或EN)端,控制使能(enable)端。
而单片机的P0端口则连接LCD的7到14端口,进行数据信息的显示。
图3.3.1LCD显示电路
在这里简单介绍下1602液晶。
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以他不能显示图形。
n1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
n目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地。
第2脚:
VDD接5V电源正极。
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
图3.1.2LCD引脚
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如'A’。
以下是1602的16进制ASCII码表地址:
读的时候,先读左边那列,再读上面那行,如:
感叹号!
的ASCII为0x21,字母B的ASCII为0x42(前面加0x表示十六进制)以下是1602的16进制ASCII码表地址:
图3.3.3LCD对应码表
3.4数据采集与转换模块
数据采集模块采用ADC0809模数转换器和89C51控制数据采集。
被测电压为0~5V通过电位器调节的直流电压;A/D变换器采用芯片ADC0809,ADC0809为8位8通道输入的A/D变换器,具有8位分辨率,最大不可调误差小于
满足题目所提出的精度和速度要求。
用单片机作为系统的控制核心,接收来自ADC0809的数据,并利用单片机内置的专用串行通信电路将数据进行并-串转换后输出至调制器;单片机通过接口芯片与键盘相连,由键盘控制采集方式是循环采集或选择采集。
图3.4.18路电压信号采集部分
图3.4.2AD转换部分
3.5无线传输模块
发送模块
数据采集模块将数据传输至发射端单片机89C51中,经过单片机对数据的处理后,将数据传送至无线传输模块的发送端NRF24L01中,发送端调制器将数据的发射频率调整到某个适当频率后发送到无线信道中进行传输。
将单片机的P0的8个端口与NRF24L01的8个引脚相连,控制数据的传输。
而开关s1与s2则控制系统的循环检测与指定某一路的电压检测的功能。
按下S1一次,则计数加1。
按下s2一次,则计数减1。
图3.5.1发射模块电路
接收模块
NRF24L01将数据接收过来之后传给接收端单片机,NRF24L01的6个引脚与单片机的P3的6个引脚相连,控制数据的接收。
单片机的P0引脚与LCD液晶相连,控制LCD显示传输数据。
图3.5.2接收模块电路
3.6主要芯片介绍
3.6.1AT89S51芯片
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列
如图所示
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件
工作直到下一个硬件复位。
管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址
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