PC機控制多點溫度測量系統設計

王娜麗，王兆珍

（天津現代職業技術學院 電子工程系，天津 300222）

PC機控制多點溫度測量系統設計

王娜麗，王兆珍

（天津現代職業技術學院 電子工程系，天津 300222）

基于ARM單片機與PC機通信設計了8路通用數據采集系統，該系統能夠同時采集電壓、電流、溫度、壓力、濕度等不同類型的數據。由PC機作為上位機選擇采集通道與數據采集類型，通過傳感器及放大電路將被采集對象轉換成單片機能識別的模擬電信號，同時由ARM內部集成的10位高速A/D將模擬電信號轉換成數字信號，通過串口以串行通信的方式與上位機進行數據及控制指令的通信，將采集的數據傳輸給上位機，由上位機完成數據分析、換算、儲存、顯示、調取歷史數據等功能。

ARM；數據采集；溫度；上位機；下位機

在工業控制系統中，各種數據的采集和執行機構的控制都是由下位機或探測站來完成。由于單片機具有體積小、價格低、可應用于惡劣工業環境的特點，在分布式控制系統中大多采用單片機作為下位機進行數據采集和現場控制。在這些應用中，單片機只是直接面向被控對象底層，而對采集到的數據進行進一步分析和處理則是由功能強大的主控PC機來完成。因此，PC機和單片機之間就有著大量的數據交換。本文基于ARM單片機與PC機，設計了8路通用數據采集系統。該系統能夠同時采集電壓、電流、溫度、壓力、濕度等8路不同類型的數據。

1 系統設計

本設計主要包括下位機信號采集、A/D轉換、上位機數據存儲、顯示等幾部分[1]。由上位機選擇采集通道與數據采集類型，通過傳感器及放大電路將被采集對象轉換成單片機能識別的模擬電信號。由ARM內部10位高速A/D將模擬電信號轉換成數字信號，通過串口以串行通信的方式與上位機進行數據及控制指令的通信，將采集的數據傳輸給上位機。由上位機完成數據分析、換算、儲存、顯示、調取歷史數據等功能。本設計的特點：上位機數據顯示界面使用delphi軟件實現，界面清晰美觀，能夠同時顯示8路數據，且具有不同效果顯示；能夠根據不同采集對象選擇不同的顯示方式，實時快捷。

1.1 整體系統

圖1 整體系統結構框

整體系統分為傳感器模塊、放大模塊、ARM單片機模塊、上位PC機模塊四個單元。由傳感器將非電量的物理量轉換為電信號，經過放大電路將信號放大后輸入至單片機；由單片機完成數據的A/D轉換與上位機的通信及數據傳輸；上位機實現數據的實時顯示和存儲。具體分析如下。

1.2 下位機系統

（1）溫度傳感器 本系統采用柱狀NTC型熱敏電阻，在常溫（25℃）下其阻值為10 k。溫度采集信號放大電路如圖2所示。

放大電路分析如下：

熱敏電阻的阻值與ui1的關系：

第一級運放為同相電壓跟隨器，關系式為：

第二級運放為減法器，

第三級運放為反相比例放大，

使用時，可先將電路增益調節為1，具體做法：調節R5，使第二級運放同相輸入端為0 V，用萬用表測量ui1、u0電壓，使u0＝ui1，此時電路增益為1。由于下位機采集的信號較強，A/D不能滿足1∶1的增益。因此在溫度采集時，將此放大電路的放大比例設定為5∶1。

如此，根據上述公式，經過推導與化簡后得到溫度與電壓的關系式為：

溫度單位為℃。

（2）模數轉換器（A/D） 系統采用的是ARM單片機S3C44B0芯片上集成A/D轉換器，其包含一個8路模擬輸入混合器、自動歸零比較器、時鐘發生器、10位連續近似寄存器和一個輸出寄存器[2，3]。由于A/D轉換器沒有采樣和保持電路，即使它的最高轉換頻率能達到100 kHz，但其模擬輸入信號為了能得到準確的轉換值，其輸入頻率不可超過100 Hz。

（3）PC機與ARM單片機串行通信接口硬件設計ARM單片機S3C44B0的UART（通用異步收發器）單元提供兩個獨立的異步串行I/O口，都可以運行于中斷模式或DMA模式。也就是說，UART可以產生中斷請示或DMA請求，以便在CPU和UART之間傳遞數據。它最高支持115 200 bps的傳輸速率。S3C44B0中每個UART通道包含兩個用于接收和發送數據的16位FIFO隊列。通常PC機和單片機之間的通信是通過串行總線 RS-232實現的。因此采用一種以MAX232為核心的通信接口電路。該接口電路適用于由一臺PC機與多個8051單片機串行通信的設計，其原理和方法同樣適用于PC機與其它單片機之間的串行數據通信。

此硬件系統中起著重要作用的是RS-232C通信接口電路。它是上位機和下位機之間信息傳遞的樞紐，一切數據的傳輸由它完成，上位機直接利用它的RS-232串行口，為此，采用了RS-232串行通信來接收或上傳數據和指令。但RS-232信號的電平和單片機串口信號的電平不一致，采用MAX232實現TTL邏輯電平和RS-232電平之間的相互轉換。MAX232由單一的+5 V電源供電，只需配接5個高精度10 μF/50 V的鉭電容即可完成電平轉換。因此，避免了用1488和1489時必需兩路電源的麻煩。轉換后的串行信號TXD、RXD直接與PC機的串行口連接。此設計，既發揮出PC機強大的計算和顯示功能，又體現了單片機靈活的控制功能，有利于實現現場信號的實時采集、處理和監控。

1.3 上位機界面的設計

上位機界面用Delphi軟件實現。第一次運行程序前，先要運行setting.exe程序，進行PC機的設置。圖3是數據采集運行界面。

點擊界面內的“實時曲線顯示”，再點擊“開始采集數據”按鈕，就可以看到采集到的曲線并根據時間的更新，曲線也在變化。

2 軟件設計

上位機軟件設計是基于WindowsXP操作平臺，選用Delphi制作。Delphi是一個集成開發環境（IDE），使用的核心是由傳統Pascal語言發展而來的Object Pascal，以圖形用戶界面為開發環境，透過IDE、VCL工具與編譯器，配合連結數據庫的功能，構成一個以面向對象程序設計為中心的應用程序開發工具。上位機主要任務是人機交互，包括接口板子信號發生、波形測試、報表生成、打印輸出、上下位機的通信、測試數據的數據庫管理等，另外通過測試系統軟件界面發送系統相關控制指令，同時對下位機傳送回來的數據進行相關的算法處理，并實時顯示。上接機程序設計框圖如圖4所示。下位機程序即單片機端采用C語言進行開發。單片機通過串口接受上位機PC發送的測試命令及控制命令，配置運行參數，進行周期內的所有測試項目測試，解析系統通信協議，操作對應接口器件，搜集并處理當前系統的狀態信息，將系統狀態的處理結果回傳給PC顯示，上位機接收到來自下位機的數據經過一定處理后存入數據庫中，以便用戶查詢和打印。如圖5所示。

圖4 上位機程序設計框圖

圖5 下位機軟件流程圖

（源程序略）

3 結束語

PC機控制多點溫度測量系統是一個應用性廣、適用性強、設計簡潔的基礎設計，可以應用在多種工業現場溫度的監控設計上，從而使硬件平臺更加清晰高效、緊湊密集，利于軟件代碼的開發、移植、測試、擴展以及模塊化設計，提高產品的靈活性；從產品經濟性來看，由于芯片的高度集成，更利于降低產品成本和設計復雜度。因此，本設計應用前景廣泛，為工業現場監控提供了一種方法和試驗實現的途徑。

［1］ 朱建林，郭有貴.上位機與下位機通信的設計初步[EB/OL].（2005-1-29）[2009-10-20].http：//www.ca800.com/ apply/html/2007-12-7/n25043.html.

［2］ 武志強.單片機實訓基礎教程[M].天津：天津教育出版社，2008.

［3］ 杜春雷.ARM體系結構與編程 [M].北京：清華大學出版社，2003.

PC-controller multi-point temperature measurement system experiment

WANG Na-li，WANG Zhao-zhen
（Department of Electrical Engineering，Tianjin Modern Technology College，Tianjin 300222，China）

MCU based on ARM and PC-communication，the eight general-purpose data acquisition system is designed in this paper,which can simultaneously capture voltage，current,temperature,pressure，humidity,different types of data from the PC，taking PC as the host computer option acquisition channels and data collection types，through the sensor and amplifier circuit,collected object is converted to analog electrical signal microcontroller.In the meantime，by the ARM within the integrated 10-bit high-speed A/D the analog signals can be converted into digital signals.Through the serial port to serial communication manner with the upper machine instructions for data and control communications,the data is transmitted to the host computer，which performs the data analysis,conversion,storage,display and retrieval of historical data and other functions.

ARM；data acquisition；temperature；host computer；lower computer

book=1,ebook=33

TP212.11

A

1673－1018（2010）01－0037－03

2009-12-20

王娜麗（1981—），女，助教，研究方向為單片機、DSP、ARM、電子技術實驗實訓.