多通道數據實時采集系統設計

　　引言

　　現代工業生產中，環節眾多、流程復雜、數據不斷更新、隨著生產工藝改進的迫切要求，需要研制新型數據實時采集系統即多通道數據實時采集系統。基于stc11f48xe具有完全兼容8051系列單片機、含有flash技術主導的存儲器、可反復進行單片機控制試驗等優點，本文選用它作為數據采集和發送的cpu。在和本地的通訊中采用rs485標準，相比rs232大大提高了通訊速率、傳輸距離和多機連接的能力，這樣使本文設計的數據采集系統具有抗干擾性強、響應速度快的優點，同時可擴展為多機通信。

　　系統總體方案設計

　　根據系統要求，整個系統由主要以下幾個部分組成：旋轉變壓器、ad2s1200、電源模塊、stc11f48xe、485通信模塊。系統框圖如圖1所示。

　　系統的工作原理為：旋轉變壓器綁定在電機轉軸上，通過ad2s1200給的勵磁信號產生正余弦信號送回給ad2s1200，ad2s1200對正余弦信號進行處理后得到轉軸的位置，把這個數據以入堆棧的方式存進stc11f48xe的ram中，當上位機請求讀取數據量時，單片機通過自定義的協議把數據傳送給上位機。

　　硬件電路設計

　　a/d轉換模塊

　　模擬數據量通過旋轉變壓器采集，通過ad2s1200芯片完成模數轉換。ad2s1200是ad公司推出的12位帶參考振蕩器的r/d轉換器，具有以下主要特點：(1)并行和串行輸出方式;(2)系統錯誤檢測;(3)絕對位置和速度輸出;(4)差分輸入;(5)最大跟蹤速度為1000rps，可仿真12位分辨度的增量式編碼器;(6)與dsp和spi接口標準兼容。由于本文設計的是多路數據采集，所以我選用串行輸出方式。ad2s1200串行輸出時序圖如圖2所示。

　　如圖2所示，在sample信號拉低t2時間后，cs信號即片選信號被拉低，sample信號必須保持t1時間的低電平，rdvel信號我們選擇給以高電平，代表輸出信號是位置量。這時在so口會有數據輸出，要讀出so的數據還需要rd為低電平，且在sclk的下降沿，這樣讀出的數據比較穩定。讀串行數據的時間要求如圖3所示。

　　單片機和通信模塊

　　單片機采用宏晶科技的stc11f48xe。8051單片機在讀取外部狀態時i/o口必須先置高。傳統8051單片機執行i/o口操作，檢測高低電平變化以及讀外部狀態都是12個時鐘周期，因此在讀取外部狀態i/o時相應的i/o端口已經是高電平。而stc11f48xe執行相應的操作只需要4個時鐘周期，在執行完由低變高的指令后，需要再過一個時鐘周期該i/o口才會變高，這時可以通過增加兩個空操作延時指令來滿足讀狀態條件。單片機控制電路和通信電路如圖4所示。

　　單片機在數據通信時經過一個總線收發器74hct245和一個施密特觸發器74ls14到達rs485的驅動電路，通過485接口和上位機進行數據傳輸。其中總線收發器是為了加強信號，施密特觸發器是為了修正波形。lbc184是常用的485通信芯片同時完成將ttl電平轉換為rs485電平。

　　電源模塊

　　電源分成了數字電源和模擬電源。因為數字信號的高頻噪聲很大，如果模擬地和數字地混合的話，就會把噪聲傳到模擬部分，造成干擾。

　　軟件設計

　　程序流程圖如圖5所示。數據采集系統的軟件主要包括主程序、數據采集、數據入棧出棧、中斷處理。在完成串口等初始化后，程序進入數據采集，在數據采集時要關閉串口中斷，不然會引起數據的不正確，采集完數據后打開串口中斷。若沒有接收到串口中斷，程序就會一直采集數據并把數據入棧，當棧滿的時候就會清空數據棧。接收到串口中斷時，就把棧頂數據發送給上位機。

　　實驗結果

　　讓旋轉變壓器停在某處，測得此時的so和sclk如圖6(一組數據放大后的波形)所示，上面的圖形代表so，下面的圖形代表sclk。從圖6我們可以讀出這組數據為1001001111011111，轉換成十六進制即是93df。

　　利用串口助手以中斷的方式從單片機取得數據如圖7所示，從圖7可看到收到的數據為93df，和從示波器上讀出的數據一致，由此推斷出單片機能正確的存入和上傳數據，達到了預期的效果。

　　結束語

　　該系統具有高實時性，較強的抗干擾能力，占用空間小方便應用于嵌入式等特點。作為一種多通道的實時數據采集系統，它不僅可以采集位置量還可以采集速度，同時也能方便地由四通道擴展到八通道、十二通道等，可以廣泛地應用于工業現場中。