数据采集系统的设计
摘要
数据采集系统，是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。
本课程设计对数据采集系统作了基本的研究。本系统主要解决的是采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送的实现方法。
关键字：数据采集、A/D转换、模拟量。数字量、串行通信
数据采集系统的设计
1 设计内容及要求
设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。
要求：①选择合适的芯片；②设计原理电路（包含译码电路）；③编制数据采集的程序段；④编制数据通信程序段；⑤撰写设计说明书。
2 数据采集系统原理及实现方案
本课设是设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。
数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。硬件设计应用电子设计自动化工具，数据采集原理图如图1所示：
图1 数据采集原理图
由原理图可知，此设计主要分三大部分：模拟量的输入采集，数字量的输入采集，从机向主机的串行通信。
信号采集分析：采集多路模拟信号时，A/D转换器前端需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波
等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。
本题设计要求简单，模拟量和数字量直接给出，故信号采集部分可忽略，而将数据输出直接连接至A/D 转换器输入端。
模拟量的采集：A/D 转换器的选取应考虑：（1）转换时间的选择：转换速度是指完成一次A/D 转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D 转换器型号不同，转换速度差别很大。由于本系统的控制时间无具体要求，故可不予考虑，但至少要小于题目要求的1ms ，这是可以达到的。（2）AD 位数的选择：A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为10位。
输入为0～5V 时，分辨率为
0049.01
251210=-=-N F V V 设计要求10位精度的10路模拟量，通过查阅资料，TLC1543芯片满足要求。 TLC1543 是一种开关电容结构的逐次逼近式A/D 转换器， 片内提供转换时钟，12 位或 8 位串行数据输出。可采集 11 路模拟输入电压，由片内多路开关选通，并采样保持。
数字量的采集：设计中要求是20路数字量，可利用单片机的I/O 口直接采集，但需要20个I/O 口与之对应，这样，就浪费了芯片的管脚资源，可采用并行采集、串行输出的办法，进行I/O 口扩展。
传输方式分析：通过串行通讯方式RS485向工控机传送。
3 系统硬件设计
3.1 模拟量的输入采集设计
模拟电压量的输入需要经过A/D转换才能进行采集，此设计要求10路模拟量的10位精度A/D 转换，可采用芯片TLC1543。
3.1.1 TLC1543功能介绍
A／D采样模块采用TLCl543。TLC1543具有以下特点：10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等，串行输出,内部时钟,转换时间21μS,线性度±1.0LSB,该芯片与单片
机的接口采用串行接口方式，引线很少，与
单片机连接简单TLC1543的控制端CS、I／O
CLOCK、ADDRESS和数据输出端DATAOUT遵循
串行外设接口SPI协议。TLC1543和微处理
器的串行接口之间可通过一个4线接口高速
传输数据。图2是TLC1543的引脚示意图：
TLC1543为20脚封装的CMOS 10位开关
电容逐次A/D逼近模数转换器封装和时序图
如图2所示A0~A10为11路模拟输入端，图2 TLC1543管脚图
REF+ 和REF- 为基准电压正负端，ADDRESS
为串行数据输入端用于输入4 位端口地址，DATA OUT 为A/D数据输出端，I/O CLOCK为数据输入输出提供同步时钟，芯片内部有一个14通道多路选择器，可以选择11 路模拟输入通道和3 路内部自测电压中的任意一路进行测试，片内设有采样-保持电路。在转换结束时EOC置高，表明转换完成。TLC1543具有高速转换时间，高精度10 位分辨率，最大1LSB不可调整误差和低噪声的特点。当EOC为高时将CS置低A/D开始工作
，由ADDRESS 端送入4 位地址的最高位B3在B3 有效期间输入一个I/O CLOCK 信号，将地址最高位移入A/D地址寄存器，同时从DATAOUT 端口读出前一次采样转换的10位数据的最高位A9，然后送入B2，同时输入一个I/O CLOCK信号，将B2移入A/D地址寄存器，从DATA OUT 读出A8，按此时序进行直到将4位地址送入A/D，同时读出前一次采样转换结果的A9、A8、A7、A6高四位，然后输入6个I/O CLOCK信号，将A5~A0读出，10 个I/O CLOCK 信号后，EOC将置低此时A/D进入转换过程转换完成后EOC置高。
3.1.2 单片机与TLC1543芯片的接口方法
TLC1543的三个控制输入端CS、CLOCK、ADDRESS 和一个数据输出端DATA OUT 遵循串行外设接口SPI协议，51系列单片机未内置SPI接口，不过仅需通过软件模拟SPI协议即可硬件方面将TLC1543的CS、CLOCK、ADDRESS、DATAOUT、EOC 五个端口与AT89C52的5个I/O口相连接AT89C52的其余27个I/O 口足以完成其它功能。
采样电路连接如图3所示，仅占用P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4端口就实现了具有10路的数据采集系统。该系统具有结构简单、可靠、容易扩展、精度高、高性价比等优点。P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4分别与EOC、时钟、地址、数据、片选端分别相连。
图3 TLC1543与单片机的连接
3.2 数字量的输入采集设计
数字量可直接与单片机的I/O口相连进行采集，但考虑到有20路数字量，管脚利用量较多，可采用74ls165芯片进行并行采集，串行输出，减少管脚用量。
3.2.1 数字量的得到
通过接地和和接5V电源将可得到数字量：
图4 数字量的得到
3.2.2 74ls165功能介绍
74LS165芯片是8位并行输入串行输出移位寄存器，使用此芯片可以扩展一个或多个8位并行I/O口。引脚图如下图：
图5 74ls165的引脚图
74ls165有16个引脚，引脚功能如下：
D0-D7:并行输入端，可同时输入8路电平信号。
SH:数据置入控制端，当其为低电平时，并行数据(D0-D7)被置入寄存器
CLK INH:片选使能端，低电平使能，使能时数据随着脉冲的输入而输出CLK:时钟脉冲输入端
QH/QH: 串行输出端，两输出电平时反向的。
SER:串行附加输入端
3.2.3 单片机与74ls165芯片的接口方法
单片机与74ls165芯片的接口如图所示，可以采集24路数字量:
图6 74ls165与单片机的连接
3.3 串口通信电路设计
RS－485标准接口是单片机系统种常用的一种串行总线之一。与RS－232C 比较，其性能有许多改进之处。
RS－485管脚的功能如下：
RO：接收器输出端。若A比B大200mV，RO为高；
反之为低电平。
RE：接收器输出使能端。RE为低时，RO有效；
为高时，RO呈高阻状态。