以ADuC841v為數(shù)據(jù)采集核心芯片的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油田現(xiàn)場(chǎng)往往環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾多，溫度/ 濕度相對(duì)變化范圍較大，所以一直面臨著因采集到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響測(cè)量精度和速度。在設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊的過程中，經(jīng)過對(duì)眾多數(shù)據(jù)采集處理芯片的分析比較，選用了ADuC841 作為數(shù)據(jù)采集的核心芯片，相比于早期的ADuC81x 系列，它在速度大幅度提升片內(nèi)的集成功能、器件的可靠性和功耗等方面都達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平，證明該芯片非常適合用于復(fù)雜電磁環(huán)境下工業(yè)控制上的小信號(hào)數(shù)據(jù)采集。

1 ADuC841 的基本原理和性能特點(diǎn)

ADuc841 單片機(jī)具有高速、高精度的ADC，DAC功能，以及獨(dú)一無二的在電路可調(diào)試、可下載的特點(diǎn)，特別適合在各種測(cè)控系統(tǒng)和儀器儀表中使用。

ADuC841（ 如圖1 所示） 內(nèi)部集成了8052 微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間，如64 KB 的FLASH/ E2PROM 程序空間、8 KB 的FLASH/E2 PROM數(shù)據(jù)空間，以及2 304 B 的數(shù)據(jù)RAM 等。此外，該器件還集成了許多外圍器件，包括精確、高速的8通道12 位模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器（ 其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420 kS/ s） ，片上低漂移15 10- 6 的精密內(nèi)部電壓參考源，DMA 方式控制器，2 個(gè)12 位的電壓輸出數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器、2 個(gè)脈寬調(diào)制輸出、一個(gè)溫度傳感器。使用這些模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級(jí)傳感器的接口，也可以有效地控制后級(jí)電路。其他的片上外設(shè)主要有U ART ，SPI 以及I2C 接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或PC 機(jī)通信（ 此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路） ，還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。

圖1 ADuC841 基本原理框圖

2 數(shù)據(jù)采集器硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2. 1 硬件系統(tǒng)的模塊劃分和各模塊功能

該外置式數(shù)據(jù)采集器硬件系統(tǒng)由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、外部存儲(chǔ)模塊、串行通信口模塊、顯示模塊組成，如圖2 所示。信號(hào)調(diào)理模塊主要采集到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大、濾波。模擬輸入信號(hào)的濾波主要用于濾除高頻干擾信號(hào)，在設(shè)計(jì)中采用低通濾波器完成這一功能。開關(guān)量輸入信號(hào)的濾波主要用于防止強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過開關(guān)量輸入通道進(jìn)入信號(hào)采集處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用連接光耦合器的方法實(shí)現(xiàn)這一功能。信號(hào)采集處理模塊的主要功能是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)單處理。同時(shí)信號(hào)采集處理模塊的微處理器肩負(fù)著管理輸入輸出等其他模塊的任務(wù)，該模塊主要由ADuC841 芯片組成。外部存儲(chǔ)模塊的主要功能是提供32 KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，為該外置式數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)和處理大量的采集信號(hào)，以提供硬件支持。

外部存儲(chǔ)模塊主要由FLASH 存儲(chǔ)器A T45DB081B 組成。串行通信模塊的功能主要是提供標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口和RS 485 接口，為實(shí)現(xiàn)不同外置式數(shù)據(jù)采集器之間的通信，以及外置式數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)之間的通信提供方便。該模塊主要由MAX 232 芯片和MAX485 芯片組成。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2. 2 硬件系統(tǒng)電路的總體設(shè)計(jì)

信號(hào)采集處理模塊中的ADuC841 芯片允許P1 口作為采集器的模擬信號(hào)輸入口，ADuC841 芯片功能強(qiáng)大，允許被采集信號(hào)直接輸入。但為了抑制干擾信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中被采集信號(hào)通過低通濾波器后再輸入ADuC841。信號(hào)采集處理模塊中ADuC841 芯片的P2口既可以作為采集器的數(shù)字信號(hào)I/ O 口，也可以作為外部32 KB RAM 的高7 位地址線接口。當(dāng)作為采集器的數(shù)字信號(hào)I/ O 口時(shí)，P2 口通過緩沖器（ 鎖存器）與外部開關(guān)量輸入（ 開關(guān)量輸出） 相連; 當(dāng)作為外部32 KB RAM 的高7 位地址線接口時(shí)，P2 口直接與外部RAM 的高7 位地址線相連。ADuC841 的第14 口外接一個(gè)射級(jí)跟隨器作為DAC 輸出口，第14 口外接一個(gè)射級(jí)跟隨器的目的是增加電路的驅(qū)動(dòng)能力。為了方便集散控制和實(shí)現(xiàn)外置式數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備間的信息交換，需要在外置式數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。本數(shù)據(jù)采集處理器預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C和RS 485A 通信接口，方便了聯(lián)機(jī)通信。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件編制和仿真下載均在Keil 公司最新推出的Keil uVisio n3 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。Keil 單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件支持多種不同公司的MCS51 構(gòu)架的芯片，集編輯、編譯、下載和仿真等于一體，同時(shí)還支持PLM、匯編和C 語言的程序設(shè)計(jì)，在調(diào)試程序和軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。Keil uVision3 支持ADuC8XX 系列芯片的開發(fā)和在線下載，簡(jiǎn)單易用，能夠滿足系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境的需求。由于篇幅的限制只給出了串口通信的設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總圖

在串行通信中，收發(fā)雙方對(duì)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的速率要有約定。通過軟件可對(duì)ADuC841 串行口編程為4 種工作方式，其中，方式0 和方式2 的波特率是固定的，方式1 和方式3 的波特率是可變的，由定時(shí)器T 1的溢出率來決定。串行口的4 種工作方式對(duì)應(yīng)3 種波特率。由于輸入移位時(shí)鐘的不同，所以各種方式的波特率計(jì)算公式也不相同。

方式0 的波特率= fosc/ 12

方式1 的波特率= （ 2SMOD/ 64） （ T1 溢出率）

方式2 的波特率= （ 2SMOD/ 64） fo sc

方式3 的波特率= （ 2SMOD/ 64） （ T1 溢出率）

當(dāng)T1 作為波特率發(fā)生器時(shí)，使T 1 工作在自動(dòng)再裝入的8 位定時(shí)器方式（ 即方式2，且TCON 的TR1= 1，以啟動(dòng)定時(shí)器） 。這時(shí)溢出率取決于TH1 中的計(jì)數(shù)值。在ADu C841 中，用的晶振頻率為32. 768 kHz，所以選用的波特率也相對(duì)固定。在使用串行口之前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時(shí)器1、串行控制和中斷控制。具體步驟如下：

（ 1） 確定T 1 的工作方式（ 編程TMOD 寄存器） ；

（ 2） 計(jì)算T 1 的初值，裝載T H1，TL1；

（ 3） 啟動(dòng)T 1（ 編程T CON 中的T R1 位） ；

（ 4） 確定串行口控制（ 編程SCON 寄存器） ；

（ 5） 串行口在中斷方式工作時(shí)，要進(jìn)行中斷設(shè)置（ 編程IE，IP 寄存器） 。

雙方約定采用串行口方式1 進(jìn)行通信，一楨信息為10 位，其中有1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，波特率為2 400 b/ s。T 1 工作在定時(shí)器方式2，振蕩頻率選用11. 059 2 Hz，由此可知TH1 = TL1 =0F4H，PCON 寄存器的SMOD 位為0。

4 結(jié) 語

在此提出了以ADuC841 單片機(jī)為核心結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的實(shí)施方案設(shè)計(jì)。圍繞該系統(tǒng)方案，把本系統(tǒng)實(shí)時(shí)內(nèi)核的具體實(shí)現(xiàn)步驟分為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)2 個(gè)階段。對(duì)今后的研發(fā)提供一定的整體框架，為開發(fā)設(shè)計(jì)類似設(shè)備打下了理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)。