基于PIC18F1320微控制器的信號采集系統

陳鵬

（福建省電子產品監督檢驗所 福建 福州 350003）

信號采集設備廣泛使用于機器健康診斷系統中用來記錄、監視和診斷。機器情況數據經常由非便攜式或者帶導線的設備收集。對于一些重要的應用，比如危險或者遙遠的地點，尤其是在航空上，提供可以方便地攜帶或者讀取的設備是必要的。另外，機器健康診斷尤其是機床振動信號診斷經常處理低頻信號，這值得關注。

本文研究一種微控制器為基礎的信號采集系統，以滿足信號采集的低成本和靈活模式。開發系統的主要硬件包括一臺微型計算機、一個以PIC18F1320[1]為基礎的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設備。EEPROM 24LC32A[2]被用來進行存儲器擴展。微型計算機運行控制程序。一旦用戶在微型計算機界面上決定采樣輸入，信息便通過RS-232端口送往微控制器。微型計算機和微控制器通過特定的協議通信。微型計算機告知微控制器模－數轉換的采樣間隔、采樣次數與采樣通道。電路板的設計考慮了開放式結構。該系統采用了24引腳易于插拔的插座來容納Microchip?微控制器。微處理器將調制的信號轉換成數據直接輸送到微型計算機或者存儲于EEPROM以便將來讀取。不同的命令與反饋代表系統的不同操作。電路板通過串行電纜在采集完信號后連接到微型計算機交互，也可以即時連接和傳送。

1 系統硬件設計

系統的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5 V電源供電，支持在線串行編程，最高時鐘頻率達到40 MHz，通訊波特率可以自動檢測。端口A是雙向輸入/輸出復用管腳，AN0等管腳被定義成模擬輸入，由用戶進行采樣通道的選擇。總共有13個模/數轉換通道且采樣時間可以編程。通道輸入的被測信號經過電子電路調制成符合微控制器電氣要求的信號。調制信號經過轉換變成寄存器內的數據，模數轉換的參考電壓為+5 V。電路板可在微控制器重新編程后方便地插入；同時，電路板可通過跳線設置與終端用戶進行電纜連接。由于微控制器與串行電路的電氣特性不同，工業標準級的MAX232[3]芯片被使用以保證正確的數據傳輸（見圖2）。該芯片和PIC18F1320一樣適用于低功耗場合。MAX232上連接的電容采用的是電解電容，電容值為1 μF。MAX232的11腳或者10腳接微控制器的USART輸出端，12腳或者9腳接微控制器的USART輸入端。微控制器的存儲器擴展使用了32 k的I2C串行EEPROM（見圖3），數據可以保持200年。EEPROM的地址線A0、A1、A2被接地。串行數據線SDA和串行時鐘線SCL被分別連接到微控制器的B端口相應管腳。寫保護WP接+5 V。

2 軟件設計

2.1 微型計算機控制程序

微型計算機通過用戶友好命令程序或者Microsoft?超級終端程序與用戶交互。兩種程序都有效地與微控制器交換命令和操作數據。

命令程序界面如圖4所示，采用Visual Basic[4]編程。界面顯示了通信握手與反饋、用戶命令選擇以及轉換的數據。讀入的數據可以用文本的形式保存。信號波形繪制例子如圖5所示。用戶應該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過程的準確性。一般來說，通信設置的修改由用戶負責進行。

2.2 微控制器算法

一旦采樣變量值被確定，信息交換模塊接手整個工作。該模塊的算法如圖6所示。模塊接收采樣間隔、采樣次數和采樣通道的決定。算法采用正確的過程以保證滿足產品手冊的要求從而獲得更好的模－數轉換和數據記錄成功。在采樣過程結束后，數據轉換信息通過串口以4 800、9 600或者19 200 b/s波特率輸送給微型計算機。該波特率由用戶和編程者給定。

由于微控制器算法用MPLAB?C18[5]或者匯編語言編程，將編譯過的程序下載到微控制器是必要的。為了驗證程序和芯片上的EEPROM數據，MPLAB?IDE 6.50[6]被采用。該軟件描述了微控制器部分內存消耗情況，這有助于用戶了解內存的使用百分比以及EEPROM和RAM是如何被安排來存儲程序算法和轉換的數據。

3 結束語

本文討論了新型簡易低成本信號采集系統的制作及編程，說明了機器健康診斷系統信號采集的低成本和簡單實現是可行的。整個實驗電路設計成本不超過100元人民幣而且開發周期為兩個星期，包括微型計算機編程。系統成功地采樣了3 kHz的復雜信號。在微控制器被重新編程之后，電路板可以被分離成為一個獨立的可便攜和讀取的裝置。該系統已經被證實有效和新穎，在機床刀具振動分析系統中得到應用驗證，較好地采集了刀具的振動信號，這可以通過示波器加以比較。由于采樣算法和調制電路的局限性，該研究項目的精度有待于提高。同時，信號數據保存的容量可以進一步擴展。另外，使用時請注意將測量信號調制成+5 V以內。

[1]Microchip Technology Inc.PIC18F1220/1320 Data Sheet[EB/OL].（2006-12-08）[2010-02-12].http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39605F.pdf.

[2]Microchip Technology Inc.24AA32A/24LC32A Datasheet[EB/OL].（2010-01-05）[2010-02-12].http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21713L.pdf.

[3]Maxim Integrated Products.MAX220-MAX249[EB/OL].（2010-01-07）[2010-02-12].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX220-MAX249.pdf.

[4]楊章偉.Visual Basic完全自學寶典[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]Microchip Technology Inc.MPLAB C18（V3.00）C Compiler User's Guide[EB/OL].（2007-08-06）[2010-02-12].http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/C18_User_Guide_51288j.pdf.

[6]Microchip Technology Inc.MPLAB IDE User's Guide[EB/OL].（2009-01-20）[2010-02-12].http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MPLAB_User_Guide_51519c.pdf.