基于單片機(jī)與PC機(jī)的電氣量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程燁

摘要：電氣量采集系統(tǒng)是保障各種電氣系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，電氣量采集得以達(dá)到數(shù)字化、智能化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在一定程度上提升電氣采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。鑒于上述情況，本次在單片機(jī)與PC機(jī)通信的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電氣量采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹本系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)情況，得以準(zhǔn)確采集對(duì)電流、電壓等信息各種信息。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) PC機(jī) 電氣量采集系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0024-02

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)必須實(shí)時(shí)對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行采集，方便實(shí)時(shí)監(jiān)控被控對(duì)象，并依據(jù)相應(yīng)的控制算法計(jì)算控制量完成相對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其所涉及的信號(hào)、信號(hào)源不斷增多，對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度、及時(shí)性等提出更高的要求。現(xiàn)階段，市場(chǎng)普遍使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在功能單一、采集速率低、操作復(fù)雜等問題，多數(shù)采集系統(tǒng)必須將所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至嵌入系統(tǒng)內(nèi)，加之嵌入式系統(tǒng)自身資源有一定的限制，因此，所推出的系統(tǒng)無法承擔(dān)大容量、高精度數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。本次設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和PC機(jī)設(shè)計(jì)電氣量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路等部分組成，通過各個(gè)模塊的相互配合，促使數(shù)據(jù)采集控制變得經(jīng)濟(jì)高效，充分發(fā)揮系統(tǒng)靈活、高速度的應(yīng)用效果。

1 電氣量采集系統(tǒng)基本架構(gòu)

本課題設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)與PC機(jī)電氣量采集系統(tǒng)基本架構(gòu)見圖1，由該圖可知，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集被控制對(duì)象的多種信息并由PC機(jī)進(jìn)行處理。借助高性能AD轉(zhuǎn)換芯片達(dá)到大容量、高精度模擬、采集數(shù)據(jù)的目的。單片機(jī)與PC通信能夠把龐大、復(fù)雜的處理工作和任務(wù)交由計(jì)算機(jī)完成，促使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)精度高、便于控制、采集信息量大的優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件

本次設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件主要包含微處理模塊、單片機(jī)顯示模塊、傳感器模塊、電源管理模塊組成，其中，微處理器模塊借助Atmogal

128L低功耗微處理器，該處理器主要用于采集所需的數(shù)據(jù)并展開針對(duì)性處理。同時(shí)，也能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)展開控制管理。射頻收發(fā)模塊便于合理控制功耗，因此，利用節(jié)能型CC2420芯片，這種設(shè)計(jì)方法促使FLASH存儲(chǔ)對(duì)低功耗產(chǎn)品的選擇尤為重要。傳感器設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)用戶的實(shí)際需求，每種傳感器均有獨(dú)特的壓力、溫度系統(tǒng)，因此，對(duì)部分非電量信號(hào)，也可借助傳感器將其由電壓變換模塊轉(zhuǎn)換為整個(gè)模擬信號(hào)。本次設(shè)計(jì)中，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的成本和需求，通過節(jié)點(diǎn)中心設(shè)計(jì)模式，以Atmegal128L單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。這種單片機(jī)主要功能是采集、處理數(shù)據(jù)，且能在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下進(jìn)行。它還包含強(qiáng)大的節(jié)能功能，必須滿足工作電壓1.8-3.6v工作電流溫度運(yùn)行下的工作頻率。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路見圖2。被控制對(duì)象實(shí)際運(yùn)行參數(shù)信息，主要包含溫度、濕度、壓力等必須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，若自身即為電量信號(hào)既能省略這一步。必須注意，轉(zhuǎn)換的電量信號(hào)大小不一，必須通過電壓轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換芯片可以處理的范圍，并由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信號(hào)。

單片機(jī)與PC機(jī)通信之間使用串行方法進(jìn)行通信，最終可將單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)所采集的信息傳遞至PC機(jī)中。從而達(dá)到PC機(jī)遠(yuǎn)程控制檢測(cè)對(duì)象的目的。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效采集被控制對(duì)象的各種參數(shù)信息，并把其專遞到PC機(jī)，有選擇的控制被控制對(duì)象。單片機(jī)顯示裝置包含4個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管，其中，段選數(shù)據(jù)線與單片機(jī)I/O端口直接連接，位選數(shù)據(jù)線借助驅(qū)動(dòng)芯片和單片I/O端口相連接。限制控制使用循環(huán)掃描的方法進(jìn)行，即：逐個(gè)點(diǎn)亮每個(gè)數(shù)碼管，并實(shí)施高速切換，因人眼視覺停留特性的影響，其看上去猶如4個(gè)數(shù)碼管同時(shí)穩(wěn)定顯示出來。

3 設(shè)計(jì)合理的軟件

整個(gè)電氣量采集系統(tǒng)軟件主要包括單片機(jī)端和PC機(jī)端程序兩個(gè)部分組成，并在兩部程序上分別運(yùn)行至不同實(shí)體上，即：?jiǎn)纹瑱C(jī)與PC機(jī)上。單片機(jī)端程序使用C51進(jìn)行編寫，PC程序通過VB實(shí)施編寫。

3.1 設(shè)計(jì)PC機(jī)端通信程序

PC機(jī)端通信程序利用可視化開發(fā)工具VB6.0進(jìn)行編寫，PC機(jī)軟件主要由系統(tǒng)初始化、文件存儲(chǔ)、接收事件呈現(xiàn)等部分。接收事件處理作為整個(gè)系統(tǒng)最重要的任務(wù)，其主要流程見圖3。若采集數(shù)據(jù)必須長(zhǎng)時(shí)間保持，能夠把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)文件內(nèi)，文件類型可以是數(shù)據(jù)庫(kù)和文本文件。如果必須對(duì)被控制對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)程控制，必須讀取控制算法文件，并把數(shù)據(jù)利用通信控件轉(zhuǎn)送至單片機(jī)，利用單片機(jī)實(shí)施解釋執(zhí)行操作。

3.2 設(shè)計(jì)單片機(jī)端程序

單片機(jī)端程序主要由系統(tǒng)控制、A/D轉(zhuǎn)換、PC機(jī)通信程序等內(nèi)容組成，系統(tǒng)初始化用在設(shè)置系統(tǒng)的初始化狀態(tài)、中斷初始化等。A/D轉(zhuǎn)換程序以及A/D轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)序要求，通過軟件模擬SPI操作，達(dá)到采集A/D數(shù)據(jù)的目的。PC機(jī)通信程序包含發(fā)送和接收程序兩個(gè)部分，其中，發(fā)送程序通過查詢的方式實(shí)現(xiàn)，先要設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)拇诠ぷ鞣椒ā⒉ㄌ芈实葏?shù)后開啟串口，查詢數(shù)據(jù)是否完全發(fā)送，發(fā)送完成后在輸送至下一個(gè)字節(jié)，直至本次數(shù)據(jù)全部輸送完成。接收程序借助串口中斷的方法，有效提升CPU工作效率，具體流程見圖4。單片機(jī)串口如果接收某個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的串行中斷。因發(fā)送和接收終端均能產(chǎn)生串行中斷，進(jìn)入中斷時(shí)先要判定是否出現(xiàn)中斷，若是，則發(fā)出中斷標(biāo)志并結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，電氣量采集系統(tǒng)是確保各種電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)和PC機(jī)達(dá)到采集電流、電壓、無功功率等數(shù)據(jù)，并配備合理的單片機(jī)端程序、PC機(jī)端通信程序、傳感器模塊等設(shè)備，把所采集的數(shù)據(jù)用單片機(jī)實(shí)施處理，便于使用者更加直觀、方便的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。

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