基于C8051F350的远程高精度数据采集系统研究-精品.doc
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基于C8051F350的远程高精度数据采集系统研究-精品.doc
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基于C8051F350的远程高精度数据采集系统研究
朱贞、张建峰、许开銮
(西安应用光学研究所,陕西西安710065)
摘要:
本文介绍了一种基于混合信号ISPFLASH微控制器的远程高精度模拟信号采集的设计方法。
该设计以PC机为采集系统的控制核心,利用串口传输的方式作为PC机与采集现场的远程数据传输方式,实现对各路信号的控制和采集;论文阐述了该系统的采集原理和方法,同时给出了远程数据采集系统的硬件设计和软件流程。
关键字:
远程控制,信号采集,可靠性,C8051f350
ResearchonremotehighprecisiondataacquisitionsystembaseonC8051F350
ZhuzhenZhangjianfengXukailuan
(xi’anInstituteofAppliedOptics,Xi’an,China)
Abstract:
Andesignmethodofhighreliabilityandhighprecisiondataacquisitionsystemdistributedbaseonmixedsignalisintroducedinthispaper.PCisthecontrolcoreinthisdesign,andcantransmitremotedatabyserialport.theprincipleandmethodusedinthissamplingsystemisdiscussed,andthehardwareelectrocircuitdesignandsoftwareflowchartisgiveninthispapertoo.
Keyword:
Remotecontrol,signalacquisition,reliability,C8051f350
1.引言
数据采集系统是现代测控领域的关键环节之一,是研究数据的采集、存储、处理的一门科学,它是工业控制中不可或缺的部分。
尤其是在工作条件恶劣的环境中,工作人员不适合进行现场操作,或者是在工作地点分布比较分散的远程控制领域,远程数据采集可以使操控人员实时的掌握现场工作状态,这对实施正确有效的工业控制起到了至关重要的作用。
高精度远程数据采集系统是集数据处理和远程控制为主要特点的高精度模数转换。
由于使用环境特殊,并且高精度模数转换器的使用条件都很苛刻,因此同时满足高可靠性和高精度要求是本系统选择C8051F350的重要原因之一。
2.远程数据采集的系统组成
远程数据采集系统由主控PC机、通讯控制模块、现场采集控制模块、现场信号采集调理模块几大功能模块组成,具体框图如图1所示:
主控PC机完成的任务主要有:
从PC机屏幕接收数据采集的频率、现场采集的路数等参数,并使用不同的命令字向各现场采集模块发送初始化、命令、数据采集命令、数据发送命令等;同时接收、存储并处理各采集模块发送过来的代表现场状态的数据。
通讯控制模块主要完成现场采集模块和主控PC机之间的数据通讯。
现场采集控制、电信号A/D转换模块用来完成现场状态转换的控制和A/D转换功能。
现场信号采集调理模块对现场的模拟电压或电流信号进行滤波、并将其转换为A/D转换器可以接收的信号。
3.主控PC机的软件设计
主控PC机的软件主要由主程序和采样程序组成。
主程序主要完成与外围单元通信的过程,包括:
读屏幕输入参数命令、采集系统初始化程序。
采集子程序主要完成远程数据的采集、数据甄别和数据的分析及存储功能。
主程序执行的过程为:
启动远程采集程序后,程序会在显示器上显示采集所需要的参数。
所需要的参数包括现场采集数据的刷新频率、采集的时间等。
当采集所需参数都输入完成后,远程采集程序便启动自己的远程控制命令,开启远程采集系统,然后初始化现场采集模块,开始远程采集的过程,直到程序判断采集时间达到或超过采集时间后结束采集子程序、关闭远程采集系统。
4.现场采集软、硬件设计
现场采集的硬件组成主要包括由采集控制模块、通讯控制模块、信号调理模块组成。
通讯控制模块完成电平信号的转换,鉴别PC机的采集数据命令所要求的对象,然后按照要求将命令传输给现场采集控制模块,完成信号采集的控制、发送;采集控制模块主要完成的功能包括:
接收PC机命令,在甄别命令后通过打开/关闭信号采集电路的电源、采集现场数据并输出采集到的数据;信号调理模块对现场传感器数出的电信号进行滤波、放大、和整理,如果传感器输出信号是电流信号的话,要首先将电流信号转换为电压信号。
总之信号调理模块主要的工作目的是完成信号的转换,以满足后级AD转换器对电压输入的要求。
4.1通讯控制模块
通讯控制模块包括电平转换和现场端口选择两个部分。
在电平转换部分,由硬件电路实现由TTL电平到CMOS电平的互换,将RS422的串口电压转换为C8051F350芯片RX端口可以接受的3.3V电压,同时将C8051F350芯片TX端口的3.3V电压转换为RS422的串口电压。
现场端口选择部分,采用单片机软件的形式通过接收、比较命令字的子程序判断PC机所发出的命令所要求的任务和任务所针对的端口。
RS422串口传输是工业应用中最成功的标准之一,该方式的传输信号采取差分的形式,具有较高的输入阻抗,因此其抗干扰能力强,允许更远距离的数据传输,从几十米到上千米均可;更强的驱动能力允许总线上连接多各节点;比较RS485总线,它具有单独的发送和接收通道,因此不必要控制数据方向,具有通讯过程的全双工的特点;同时其最大传输速率可达10MBPS,在100米长的双绞线上传输速率亦可达到1MBPS。
该采集系统选取的传输速率较低,仅为115.2KBPS,因此可以支持较远距离的传输。
4.2现场采集控制、电信号A/D转换模块
4.2.1硬件设计
AD转换和现场采集控制模块是本系统的主要构成部分,AD转化芯片的选取和前级的信号调理电路的组成形式一起决定了信号采集系统的精度,是决定该系统主要技术指标的关键部分。
本系统采用的是SiliconLabs公司生产的C8051F350完成通讯控制、现场采集控制、电信号A/D转换功能。
该芯片采用“多数字,少模拟”设计,是该公司最新推出的带片上ADC的8051兼容MCU。
该芯片内部有一个全差分24位的Sigma-Delta模/数转换器(ADC),该ADC具有在片校准功能。
两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHZ的采样率。
可以使用内部的电压基准,ADC中包含一个可编程增益放大器,有8种增益设置,最大增益可达128位,适合小信号的测量、采集;该芯片包含有8路ADC和1路片上温度传感器,可以进行现场多输出量的采集并对现场温度进行监测,对采集得到的数据进行温度补偿,提高采集系统精度;该芯片还包含双8位DAC,便于对现场设备进行简单的控制;该芯片也包含了串行通信外设,可以在不增加芯片的条件下将接收主控PC机的命令或采集到的数据用串口输出;该款芯片支持二线(C2)开发接口,支持FLASH编程和使用安装在最终应用系统中的器件进行非侵入式、全速的在系统调试;该系列芯片全部可工作在工业温度范围内,适合恶劣的工业环境;工作电压为2.7V-3.6V,功耗小、可长时间开机工作,所有I/O都容许5V的输入电压信号,与其他系统兼容性强。
4.2.1软件设计
C8051F350的程序包含有系统初始化、A/D转换模块的初始化、串口初始化、A/D采集、接收并分析命令、发送数据、开启、关闭采集电路电源等几个功能子程序。
在系统初始化程序部分,为了减小系统中芯片的数量达到将体积见到最小的目的,程序通过设置寄存器OSCILCL使用芯片的内部振荡器、将系统时钟定在24.576MHZ;在A/D转换模块的初始化部分,设置SFR、PGA、MDCLK、ADC0DECH和ADC0DECL几个寄存器,完成对A/D转换器设置,使用内部2.5V电压基准,由于较高的抽取比会降低噪声,所以抽取比设为834,数据输出频率为1000HZ;在串口初始通过将采集系统数据输出的波特率为115.2KBPS。
具体流程框图如下示:
5.结论
在实验过程中,按节点数为两个验证该系统精度和可靠性,现将一组采集到的数据绘制
图6中,横轴代表时间,单位为10S,纵轴代表电压,单位为uV。
经过数据分析,左图data1所示数据的零位偏移为-330uV,零位漂移为3.4uV。
右图data2所示数据的零位偏移为529uV,零位漂移为2.3uV。
通过数据分析:
该采集系统具有采集精度高、抗干扰能力强等特点,达到了设计目的。
作者简介:
朱贞,1973年出生于陕西省富平县,现工作于兵器工业集团北方光电研究院,主要从事惯导系统中惯性传感器件的采样工作和惯导硬件系统设计。
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