1、基于 C8051F020 的数据采集系统的设计摘要数据采集是计算机在工业生产、自动控制中得以广泛应用的基础。本文介绍了一种可以采集电压量和电荷量的基于 C8051F020 的数据采集系统。该数据采集器充分利用 C8051F020 强大的内部功能和丰富的片内资源，只需添加简单的信号调理电路就可实现数据的采集。该系统可根据用户需要配置相应的传感器，适用于不同采集对象的数据采集场合。本设计的主要工作流程是：传感器采集到的信号经过放大器放大并经过滤波器滤波后，送至 C8051F020 片内集成的 ADC 实现模数转换。转换后的数据先放到采集器的存储器中暂存，然后通过串行通信接口传送到 PC 机上进行进
2、一步处理。关键词：数据采集，ADC，C8051F020 The Development of a SoC Universal Data GatheringSystem Base on C8051F020AbstractData gathering is the base of the wider use of computer in industrial production and automatic control of the foundation. A data gathering system which can gather voltage volume or charge vol
3、ume base on C8051F020 is given in this paper. The data collector take full advantage of the internal functions of C8051F020 powerful and rich on-chip resources and simply adding a simple signal conditioning circuit can achieve the data collection. The system can apply to different data gather occasi
4、ons according to usersdemandThe main task of this design process is: sensor acquisition to enlarge the signal amplifier and a filter,sent to the C8051F020-chip integrated ADC to achieve analog-digital conversion. After converting the data collected for the first put in temporary memory,then sent to
5、the serial communication interface on PC for further processing.Key words：Data gathering system，ADC，C8051F020 第 I 页 共 II 页目录1 引言 11.1 数据采集技术的发展 11.2 数据采集系统的应用 11.3 现代数据采集系统的特点 22 数据采集器的系统结构 33 数据采集器的硬件设计 43.1 信号调理电路的设计 43.1.1 放大电路 43.1.2 滤波电路 63.2 C8051F020 单片机的应用 73.2.1 C8051F020 的介绍 73.2.2 ADC0 的应
6、用 73.2.3 晶体振荡器的设置 103.3 扩展外部数据存储器 113.3.1 存储器的选择 113.3.2 配置外部存储器接口 123.3.3 非复用方式配置 133.4 串口连接电路的设计 143.5 本设计采用的抗干扰措施 143.5.1 增加系统的抗干扰能力的措施 143.5.2 采用的其他降低噪声与电磁干扰的措施 153.6 系统硬件的整体介绍 164 数据采集器的软件设计 174.1 选择编程语言 174.1.1 汇编语言 174.1.2 单片机 C 语言 174.1.3 结论 184.2 单片机控制程序 18第 II 页 共 II 页4.2.1 程序流程图 184.2.2 各
7、程序模块的介绍 204.2.3 程序的整体思路介绍 235 结束语 24附录 A 硬件连接图 25附录 B PCB 图 27附录 C 单片机控制程序 28参考文献 34致 谢 35第 1 页 共 35 页1 引言 数据采集是计算机在工业生产、自动控制中得以广泛应用的基础。它对不同的测量量进行采集，采集到的模拟信号经 ADC 转换为数字信号后，再将其存储到采集器的存储器中，然后传送到上位机进行处理。因此，数据采集性能的好坏直接影响到计算机控制系统的控制质量。本文介绍一种采用 C8051F020 单片机构成数据采集器的方法。 1.1 数据采集技术的发展数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信
8、息数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的加速度、压力、流量、位移以及角度等模拟量转换为数字信号，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“ 数据采集 ”。相应的系统即为数据采集系统。数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。应该强调指出的是：科学技术的发展，已在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。可以预言：随着超大规模集成电
9、路技术与计算机科学技术的发展，数据采集技术的应用领域将更为广阔。 11.2 数据采集系统的应用在国外，数据采集技术已在军事、航空电子设备及宇航技术方面被广泛地采用。特别是在七十年代的后期，出现了高性能、高可靠性的单片数采系统（DAS） 。1983 年美国已设计生产了对军事/航空方面应用的完整的 12 位单片数采系统，体积非常小，这是与计算机完全兼容的数采系统。在国内，虽然起步较晚，但现在数据采集系统已发展到开始用小型计算机、微型机、单板机、单片机等大规模集成电路组成的各种系统，逐渐在军事、科研、工业等各行业得到广泛应用。 2第 2 页 共 35 页1.3 现代数据采集系统的特点1、现代数据采集
10、系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等大为提高，同时，显著节省了硬件资源。2、软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。3、随着微电子技术的发展、电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。在超深亚纳米工艺技术支持下，实现了在一块硅芯片上集成不同功能模块，使其成为系统级的集成芯片。将各种功能模块集成于一块芯片上的完整系统，叫做片上系统（system on chip）也就是 SOC 芯片。4、速度快，数据采集过程一般都希望有“实时” 特性，对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。5、采用先进的模块式的结构，根据不同
11、的应用要求，通过简单的增加和更改模块，就可扩展或修改系统，可以很迅速的组成新的系统。 3第 3 页 共 35 页2 数据采集器的系统结构 数据采集器使用 C8051F020 芯片，系统的主体构成简化为一片单片机。通过连接不同的传感器（限于电荷输出型和电压输出型）来实现对不同信源数据的采集。由电源控制芯片 MAX894 控制两路传感器的信号调理电路的电源，并联合选通开关选择一路进行采集。传感器采集到的信号经过放大器放大并经过滤波器滤波后，送至 C8051F020 片内集成的 ADC 实现模数转换。转换后的数据先放到采集器的存储器中暂存，然后通过串行通信接口传送到 PC 机上进行处理。数据采集器的
12、系统结构如图 2.1 所示。 电荷输出型传感器电荷放大器电压放大器滤波C8051F020存储器计算机滤波选通开关电压输出型传感器图 2.1 数据采集器的系统结构注：选通开关为 C8051F020 单片机片内的。传感器的作用是把非电的物理量（加速度、角速度、位移等）转换成模拟电量。放大器用来放大和缓冲输入信号。传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声。为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对噪声进行一定的衰减。在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路检测。这可以通过多路模拟开关来实现这样可以简化设计，降低成本。多
13、路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道中的某一路通道，因此，在多路模拟开关后的单元电路只需一套即可。C8051F020 是整个数据采集系统的核心。 C8051F020 控制整个数据采集系统的正常工作，并且把 A/D 转换器输出的结果存入外扩存储器中。计算机将C8051F020 存入存储器中的数据读出，做相应的处理后将所得结果显示在屏幕上并存入计算机中存储器中，以便进行后续处理。第 4 页 共 35 页3 数据采集器的硬件设计 3.1 信号调理电路的设计传感器接口模块包括放大器、滤波器几个部分如图 3.1 所示。其可以充分利用 C8051F020 芯片内部集成的功能模块（多路开关、PGA 、AD
14、C） ，只需要扩展少量外围部件。C8051F020 芯片中包括 1 个 9 通道的可配置模拟多路开关 AMUX、可编程增益放大器 PGA 和 12 位分辨率的 100kbps 逐次逼近型 ADC， AMUX 中的 8 个通道用于外部测量，第 9 通道在内部被接到片内温度传感器上，它们都可以使用软件通过特殊功能寄存器来配置。 4电荷输出型传感 器电压输出型传感 器电荷放大器电压放大器无源低通滤波无源低通滤波C8051F020AIN0.0AIN0.1图 3.1 传感器接口模块3.1.1 放大电路1、放大器的选择 表 3.1 运放参数的比较运放参数 OPA340 LM741 RC4558增益带宽积
15、GBW/ MHz 5.5 1.5 3开环增益 AOL /dB 124 - -共模抑制比 CMRR/ dB 92 90 100转换率 SR /V/s 6 0.7 0.8单电源供电 可 否 否供电电压 VS 范围/V 2.75 322 18为了在采集高频的信号时，放大器有较大的放大倍数，需选择高增益带宽积的运放；为了较好的抑制干扰，需选择有较高的共模抑制比的运放；同时有较大的转换速率，供电电压不是太高以及可单电源供电时，在经过如图 3.1 所示的比较后，我选择了 OPA340，它的各项性能都能满足本设计的要求。2、电荷放大器第 5 页 共 35 页因为积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，所以可以
16、用积分运算电路作电荷放大器。由于该电荷放大器的输出为负值，而 C8051F020 只能对 0V 到 2.43V的电压量进行数模转换，所以本设计在原来的电荷放大器电路上加了一个正向偏置电路，将放大器的输出值上调为正值以满足单片机的 AD 模拟通道的输入要求。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势 Vt 与输出电容 Ct 串联，电容上的电荷量为 q，输出公式推导如下：图 3.2 电荷放大电路3、电压放大器由于许多传感器的输出有负值，为了扩大传感器的选择范围，本设计也在普通的电压放大器上加了电压偏置电路。将放大器输出的负值上调为正值以满足单片机的 AD 模拟通道的输入要求。电压放大器的输出公式
17、的推导如下：第 6 页 共 35 页图 3.3 电压放大电路3.1.2 滤波电路有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到 95以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过 600kvar。其运行可靠性也不及无源。 一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有 80，对基波的无功补偿也是一定的。 目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。 5基于以上考虑，本设计采用 RC 无源低通滤波器。当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，故通带放大倍数为一。当频率升高时，电容的容抗减小，故通带放大倍数减小，信号迅速衰减。带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。012112()/()ffpiiOfnabpabnfpfiiOfabRVVRRVR令
