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基于C8051的多路高精度数据采集系统设计

发布时间:2020-06-30 21:17:40 阅读: 来源:振动盘厂家

摘要:为针对一般的数据采集系统精度较低、价格较高的问题,设计了一种低成本、高精度的多路数据采集系统系统由上、下位机两部分组成,上、下位机通过RS-485总线进行通信。下位机选用C8051F350作为主控制器,A/D转换采用C8051F350内部24位∑-△型ADC,并设计了RS-485总线接口,便于接入RS-485总线网络、上位机软件使用LabVIEW编写,具有较好的人机交互界面实际使用表明,该系统能够满足高精度数据采集的要求。

本文引用地址:数据采集是将模拟信号转换为数字信号并进行存储、数据处理及显示的过程,相应的系统称为数据采集系统。其主要任务是将传感器输出的信号经过调理后送往A/D模块完成转换,然后输入计算机进行数据处理及显示或传输。在工业领域中,下位机和上位机结合组成的数据采集与控制系统日渐成为主流模式。下位机通过单片机和A/D转换器完成传感器输出信号的数据采集和简单数据处理,然后利用通讯总线将数据发送到计算机进行数据分析处理,从而实现上、下位机的优势互补。

为了满足低成本、高精度的要求,文中提出了一种基于C8051F350的高精度多路数据采集系统,充分利用C8051F350的片上24位具有低噪声和高线性度的∑-△型ADC,减少硬件电路的设计,提高了系统的可靠性和稳定性,并设计了RS-485通讯接口,可应用于RS-485网络及较远距离的多路数据采集与传输。

1 概述

多路高精度数据采集系统是基于C8051F350片上24位∑-△型ADC和RS-485总线的弱电信号采集系统,可应用于传感器输出信号的采集、处理与传输,采用上、下位机的方式构建数据采集系统,上、下位机通过RS-485总线按照制定的通讯协议进行通信。在上位机上可以直接发出控制命令,显示和保存各种信号数值,对数据进行分析处理。下位机接收上位机的控制命令,完成数据采集并将数据传输至上位机。

数据采集系统总体框图如图1所示。

2 数据采集系统硬件设计

数据采集系统硬件由信号放大电路、A/D转换及主控制器、电压基准电路、RS-485通讯接口和电源电路组成。信号放大模块对输入信号进行放大,使信号处于参考电压范围内;主控制器片内的ADC实现模拟信号的A/D转换;电压基准为A/D转换提供精准的参考电压;主控制器负责整个系统的正常运行;RS-485通讯接口与上位机进行通讯;电源模块为各个模块提供工作电压。

2.1 信号放大电路

由于传感器输出的模拟信号一般都比较微弱,需要将信号放大至A/D转换范围内,以进行传感器数据的采集。

本文设计的数据采集系统采用放大器AD623实现模拟信号的放大,通道0的信号放大电路如图2所示。

2.2 A/D转换及主控制器

8051F350是Silicon Laboratories公司推出的混合信号系统级芯片(SOC),具有CIP-51微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容;机器周期由标准的12个系统时钟降为1个系统时钟周期,处理速度大大提高,峰值速度可达50 MIPS。

C8051F350单片机片上资源有24位∑-△型ADC、电压基准、UART0、SPI、SMBus等。本系统利用C8051F350片上24位∑-△型ADC来实现模拟信号的A/D转换,使用外部高精度电压基准源作为参考电压,A/D转换及主控制器电路如图3所示。为了获得较高的转换精度和稳定性,PGA =1,并使用SINC3滤波器,ADC0调制时钟MDCLK为2.21184 MHz,抽取比为1728,转换速率为10 Hz。

2.3 电压基准电路

电压基准为A/D转换器提供参考电压,基准电压的精度直接影响A/D转换的精度。为保证数据采集的精度,本系统选用MAX6325作为电压基准源。

MAX6325是低噪声、高精度电压基准,温度系数1.0 ppm/℃,初始精度±0.02%。电压基准电路如图4所示。

2.4 通讯接口

RS-485总线采用平衡驱动器和差分接收器的方式进行数据传输,具有抗共模干扰能力强,抗噪声干扰性好的特点。本系统采用RS-485总线进行上、下位机的通信和数据传输,下位机通过通讯接口接受命令,完成相应的数据采集,通过通讯接口将采集数据传输至上位机。RS-485通讯接口模块如图5所示。

2.5 电源电路

数据采集装置采用可充电锂电池或直流电源供电,电源电路给装置内各个模块的元件器提供工作电压。本系统所选用低工作电压的芯片,整个装置需要+5 V和+3.3 V电压,降低了数据采集装置的功耗,提高了可靠性和抗干扰能力,电源芯片采用LM1117DTX-5.0和LM1117 DTX-3.3。

3 数据采集系统软件设计

3.1 单片机程序设计

采用Silicon Laboratories公司的集成开发环境为开发平台,使用图形化配置软件对各个模块进行配置。程序流程图如图6所示,程序包括主程序、数据采集及处理、数据传输、串口中断等部分。串口中断中对接收到的数据进行分析,如果是有效命令,则置位数据采集标志位并传递至主程序中,在主程序中完成数据采集与处理以及数据传输,完成之后清除数据采集标志位。

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