基于C8051F350的多路高精度數據采集系統及應用

沈金鑫，夏 靜

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

數據采集是將模擬信號轉換為數字信號并進行存儲、數據處理及顯示的過程，相應的系統稱為數據采集系統。其主要任務是將傳感器輸出的信號經過調理后送往A/D模塊完成轉換，然后輸入計算機進行數據處理及顯示或傳輸。在工業領域中，下位機和上位機結合組成的數據采集與控制系統日漸成為主流模式。下位機通過單片機和A/D轉換器完成傳感器輸出信號的數據采集和簡單數據處理，然后利用通訊總線將數據發送到計算機進行數據分析處理，從而實現上、下位機的優勢互補。

為了滿足低成本、高精度的要求，文中提出了一種基于C8051F350[1]的高精度多路數據采集系統，充分利用C8051F350的片上24位具有低噪聲和高線性度的Σ-Δ型ADC，減少硬件電路的設計，提高了系統的可靠性和穩定性，并設計了RS-485通訊接口，可應用于RS-485網絡及較遠距離的多路數據采集與傳輸。

1 概 述

多路高精度數據采集系統是基于C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC和RS-485總線的弱電信號采集系統，可應用于傳感器輸出信號的采集、處理與傳輸，采用上、下位機的方式構建數據采集系統，上、下位機通過RS-485總線按照制定的通訊協議進行通信。在上位機上可以直接發出控制命令，顯示和保存各種信號數值，對數據進行分析處理。下位機接收上位機的控制命令，完成數據采集并將數據傳輸至上位機。數據采集系統總體框圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統總體框圖Fig. 1 Overall block diagram of the data acquisition system

2 數據采集系統硬件設計

數據采集系統硬件由信號放大電路、A/D轉換及主控制器、電壓基準電路、RS-485通訊接口和電源電路組成。信號放大模塊對輸入信號進行放大，使信號處于參考電壓范圍內；主控制器片內的ADC實現模擬信號的A/D轉換；電壓基準為A/D轉換提供精準的參考電壓；主控制器負責整個系統的正常運行；RS-485通訊接口與上位機進行通訊；電源模塊為各個模塊提供工作電壓。

2.1 信號放大電路

由于傳感器輸出的模擬信號一般都比較微弱，需要將信號放大至A/D轉換范圍內，以進行傳感器數據的采集。

本文設計的數據采集系統采用放大器AD623實現模擬信號的放大，通道0的信號放大電路如圖2所示。

圖2 信號放大電路Fig. 2 Signal amplification circuit

2.2 A/D轉換及主控制器

8051F350是Silicon Laboratories公司推出的混合信號系統級芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器內核，與MCS-51指令集完全兼容；機器周期由標準的12個系統時鐘降為1個系統時鐘周期，處理速度大大提高，峰值速度可達50 MIPS。

C8051F350單片機片上資源有24位Σ-Δ型ADC、電壓基準、UART0、SPI、SMBus等。本系統利用C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC來實現模擬信號的A/D轉換，使用外部高精度電壓基準源作為參考電壓，A/D轉換及主控制器電路如圖3所示。為了獲得較高的轉換精度和穩定性，PGA=1，并使用SINC3濾波器，ADC0調制時鐘MDCLK為2.211 84 MHz，抽取比為1 728，轉換速率為10 Hz。

圖3 A/D轉換及主控制器Fig. 3 A/D conversion and main controller

2.3 電壓基準電路

電壓基準為A/D轉換器提供參考電壓，基準電壓的精度直接影響A/D轉換的精度。為保證數據采集的精度，本系統選用MAX6325作為電壓基準源。

MAX6325是低噪聲、高精度電壓基準，溫度系數1.0 ppm/℃，初始精度±0.02%。電壓基準電路如圖4所示。

圖4 電壓基準電路Fig. 4 Voltage reference circuit

2.4 通訊接口

RS-485總線采用平衡驅動器和差分接收器的方式進行數據傳輸，具有抗共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好的特點。本系統采用RS-485總線進行上、下位機的通信和數據傳輸，下位機通過通訊接口[4]接受命令，完成相應的數據采集，通過通訊接口將采集數據傳輸至上位機。RS-485通訊接口模塊如圖5所示。

圖5 通訊接口Fig. 5 Communication interface

2.5 電源電路

數據采集裝置采用可充電鋰電池或直流電源供電，電源電路給裝置內各個模塊的元件器提供工作電壓。本系統所選用低工作電壓的芯片，整個裝置需要+5 V和+3.3 V電壓，降低了數據采集裝置的功耗，提高了可靠性和抗干擾能力，電源芯片采用LM1117DTX-5.0和LM1117DTX-3.3。

3 數據采集系統軟件設計

3.1 單片機程序設計

采用Silicon Laboratories公司的集成開發環境為開發平臺，使用圖形化配置軟件對各個模塊進行配置。程序流程圖如圖6所示，程序包括主程序、數據采集及處理、數據傳輸、串口中斷等部分。串口中斷中對接收到的數據進行分析，如果是有效命令，則置位數據采集標志位并傳遞至主程序中，在主程序中完成數據采集與處理以及數據傳輸，完成之后清除數據采集標志位。

3.2 上位機軟件設計

LabVIEW是由美國國家儀器公司(National Instruments)推出的、主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺,是一種基于圖形開發、調試和運行的集成化環境。

LabVIEW的函數庫中提供了串口通訊函數, 可用來設計下位機與PC機的串口通訊。定義通訊協議如下：密碼字+接收方地址+發送方地址+命令字+數據幀長+數據域+結束字，波特率：9 600，數據位：8，停止位：1，無奇偶校驗。上位機與下位機串口通訊的程序框圖如圖7所示，首先上位機向下位機發送數據采集命令，然后等待下位機采集并上傳數據，接著上位機從串口中讀取下位機上傳的數據，并返回主程序繼續執行。

圖6 下位機程序流程圖Fig. 6 Lower computer program flowchart

圖7 串口通訊程序框圖Fig. 7 Serial communication block diagram

4 在彈箭質量質心測量中的應用

彈箭質量質心是一項重要的靜態參數，在彈箭的研制過程中需要實現準確的測量。一般采用稱重傳感器測量出各個支點所承受的力，通過計算得出質量和質心。表1為三組不同質量樣柱的實測數據，由表1可知，系統測量精度優于0.1‰，滿足彈箭質量質心高精度測量要求。

表1 測量數據Tab. 1 Measurement Data

5 結 論

該多路高精度數據采集系統，充分利用C8051F350片內24位Σ-Δ型ADC，降低了成本，減少了芯片數量，使得電路板小巧、輕便，可應用于成本低、體積小的場合。經過調試與試驗，其采集精度和數據傳輸均達到設計要求，可滿足多路高精度數據采集的需要，并成功應用于彈箭質量質心測試系統。

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