楊瑞帆，郭曉鵬，崔順

（西安石油大學機械工程學院 西安 710065）

0 引言

數據采集是獲取信息的重要途徑。通常一個數據采集系統(tǒng)把現場傳感器采集到的模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，并完成數據處理、傳輸、顯示、存儲等操作。傳統(tǒng)數據采集系統(tǒng)要使用大量的外圍芯片，這需要主處理器控制、鏈接好各模塊以保證各通道的暢通，不但需要較多的片選信號，而且模塊測試所占用的I/O端口資源也較多，這樣不但使系統(tǒng)設計體積較為龐大，而且開發(fā)成本高、設計效率也低。本文設計了一個基于C8051F330D單片機的多路數據采集系統(tǒng)，C8051F330D單片機除了具有標準的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數字外設功能部件，將其運用到數據采集系統(tǒng)去實現對多個物理量的分時采集，可以較好地解決傳統(tǒng)數據采集系統(tǒng)的不足。

1 采集系統(tǒng)結構及工作原理

采集系統(tǒng)構成如圖1所示。傳感器的作用是把電量或非電的物理量轉變成模擬電量（電壓、電流或頻率等）。傳感器輸出的信號較弱，本設計系統(tǒng)中選用C8051F330D單片機內部自帶的傳感器，其分辨率約為2.34毫伏，需要將采集到的信號加以放大，這樣在保證測量精度的同時也滿足A/D轉換器的量程在0～2.4V。傳感器和電路中的器件常會產生噪聲，這種噪聲可以用濾波器來衰減掉，以提高模擬輸入信號的信噪比。多路模擬開關用于選擇采集哪路信號，相連的是模擬通道的轉換部分，它包括采樣/保持和A/D轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度。采樣/保持器輸出的信號送至A/D模數轉換器轉換后，將測量數據送單片機進行分析處理，單片機執(zhí)行相應控制操作，將測量結果存于存儲器中[1-3]。

圖1 采集系統(tǒng)構成圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

如圖2所示，本系統(tǒng)以采集外部兩路信號溫度、壓力為例，選用C8051F330D單片機通用I/O中的P0.4、P0.5端口分別輸入兩路模擬信號并轉化為相應的電壓值，P0.0作為電壓基準端口。采集到的模擬數據經單片機內部A/D轉換和內核處理后變?yōu)槎未a，送到段碼驅動器驅動LED實現顯示[4-6]。

需要注意的是：C8051F330D單片機模擬輸入端口的工作電壓都在3.3V左右；同時單片機的數據、時鐘兩輸出端口被配置為漏極開路方式，都需要上拉電阻到5V電源，以保證輸出的正常。譯碼器也需要接到5V電源上。

圖2 采集系統(tǒng)硬件原理框圖

根據硬件原理框圖設計出的采集系統(tǒng)電路主要由電源部分、控制部分、顯示部分、按鍵部分組成，各部分緊密連接，形成一套完善的測壓、測溫系統(tǒng)。

2.1 電源電路設計

圖3 電源電路

C8051F330D的工作電壓范圍在2.7V～3.6V之間。作為供電裝置，LM1117可以將輸入的5V電壓轉化為3.3V電壓輸出，滿足C8051F330D的工作電壓要求。需要注意的是：電路的外接電源選5V，這樣在經過LM1117轉換后的3.3V電壓適用于C8051F330D，同時5V電壓滿足顯示電路中的74LS164移位寄存器以及單片機輸出上拉的要求。

2.2 主控制芯片

控制任務由C8051F330D[7-8]單片機完成，采用串行通信接口SPI通信，C8051F330使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核，除了具有標準的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數字外設功能部件，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。設計中使用C8051F330D的內部ADC模塊完成數據采集、量化、編碼，使用內核模塊完成數字信息的處理。

2.3 顯示電路

顯示電路如圖4所示。它包括74LS164移位寄存器和LED數碼顯示管兩部分。74LS164移位寄存器接收從C8051F330D內核轉換出的4字節(jié)段碼，當單片機發(fā)出傳輸結束的信號后，4個移位寄存器將送出的4個字節(jié)串行數據，轉化為8位并行數據分別送往各自連接的LED數碼管，采用靜態(tài)顯示的方式，驅動4位LED實現顯示。

圖4 顯示電路

2.4 按鍵電路設計

按鍵電路如圖5所示。

圖5 按鍵電路

按下開關S1時單片機復位；按下開關S2時采集片內溫度傳感器的值；按下S3時，采集單片機的P0.5端口到GND之間的電壓值;按下S4 時，采集與P0.4端口到GND之間的電壓值。編寫程序時，可以先進行復位，然后判斷哪路開關按下，在第一路開關沒按下時就跳到下一路開關處再進行判斷，這樣一直循環(huán)下去，直到判斷有開關按下后，便對這個開關對應的一路開始模擬數據的采集。

3 系統(tǒng)軟件設計

針對C8051F330單片機的軟件開發(fā)，用匯編語言開發(fā)實現。編譯工具選擇keil 編譯器。主程序流程框圖如圖6所示，主要分3大模塊：程序初始化、采集轉換和顯示。根據選用的器件及C8051F330D單片機配置先完成程序的初始化，其主要內容是對數據采集中所涉及的寄存器的使能；第二大模塊是對模擬數據的采集、轉換、處理，當判斷P1.1、P1.2、P1.3中的一個按下時，便進入這一過程；第三模塊是數據的顯示，由于兩路電壓顯示原理相似，所以可以調用同一顯示程序。調用顯示程序，又可以完成溫度的顯示。

圖6 數據采集系統(tǒng)程序流程圖

4 實驗結果及分析

實驗中分別采集了兩端口的溫度、壓力兩物理量，由此轉化的模擬值（電壓）數據表1和表2所示。

表1 采集電路端口1的實驗結果

表2 采集電路端口2的實驗結果

由表1、表2可以看出，實驗所得相對誤差最小為0.27%，最大為-1.60%，準確度較高。分析原因，一方面是由于C8051F330片內ADC轉換精度高，另一方面是由于編程中用到浮點數運算程序，大大降低了計算上的誤差。

5 結束語

本文設計了一個基于C8051F330D單片機的多路數據采集系統(tǒng)。選用C8051F330D單片機是由于它具備集成度高、作穩(wěn)定可靠、成本低廉、通用性強等特點。該數據采集模塊采用多路參數采集方式，外接各種傳感器后可應用于多種工況中的數據采集，如對油田油井壓力、溫度采集，對抽油機的運行、電機的運轉狀態(tài)監(jiān)測等等，可為故障診斷提供可靠、全面的參數依據，從而保證各系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行。

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