基于單片機的便攜遠程多路數據采集系統

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　　引言：在工業生產和各種科學技術研究過程中，常常要對各種數據進行采集和處理，通常用的采集方式是在PC機或者工控機內安裝數據采集卡，例如A／D卡及RS-422卡、RS-485卡。采集卡易受機箱內環境的影響，以及計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，不能掛接很多設備。尤其是在進行油井壓裂作業時，因為壓裂工作現場比較危險，而又同時需要對壓裂時的各種數據進行采集和處理，以便進行遠程實時監控，因此利用工控機進行遠程數據采集處理，就難以滿足遠程數據傳輸和便攜的要求。本文探討一種基于單片機和手提電腦的遠程數據采集系統，既可以進行遠程數據采集，而且靈活輕便利于攜帶，同時也減低了設備成本。

　　1 主要芯片介紹

　　AT89C52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造。AT89C52有128 bytes的On-Chip隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，1個6向量兩級中斷結構，3個16位可編程定時計數器，1個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。此外，AT89C52還設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置的省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器、串行口、外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。

　　AD574是美國模擬數字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其模擬電壓輸人范圍有四種：0-10V和0-20V，0±5V和0-±10V，數據輸出格式為12位和8位可選，本文采用12位數據格式，這樣可以提高數據的精度。

　　MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS-485芯片，它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式，數據傳輸率高達2.5Mbps。在一條RS-485總線上可以掛接最多32個MAX485收發器。這樣可以通過編程利用一臺手提電腦通過RS-485總線同時對多套該系統進行數據采集。

　　2 系統硬件設計

　　整個采集系統分為數據采集發送端和數據接收端。數據采集發送端主要由AT89C52單片機、AD574A A/D采樣芯片、MAX354故障保護模擬開關和MAX485芯片構成，完成多路信號的采集和串行數據的發送功能。數據接收端由一個RS-485電平轉RS-232C電平的電路，以及一臺便攜式手提電腦構成。數據采集端和發送端通過一條屏蔽的雙絞線電纜連接。

　　2.1 數據采樣電路

　　采樣電路由AD574和MAX354組成，在一個采樣周期內，連續對8路輸入數據按順序進行一輪采樣，采樣電路與單片機的連接如圖1所示。

　　圖-1 數據采樣電路

　　采用8通道故障保護模擬開關MAX354對采樣通道進行選擇，這可以通過89C52地址線A0，A1，A2來控制，信號通過模擬開關后被送到AD574的輸入端。

　　AD574內部具有三態數據鎖存器，可以和89C52單片機的P0數據口直接相連，它內部具有參考電壓和時鐘電路，因此無需任何元器件即可獨立完成A／D轉換。A／D轉換結束后，AD574向89C52的中斷INT0發出中斷申請，然后系統對轉換后的數據進行處理。AD574的12／8端子固定接地，A0端口與89C52的地址線A7相連，這樣在地址線A7的控制下分兩次通過8位數據總線來讀取l2位的轉換結果。

　　2.2 數據發送與接收電路

　　為了避免在長距離的數據傳輸過程中，數據受到現場的干擾，該系統采用MAX485芯片將信號電平轉換為RS-485電平，采用RS-485接口進行遠程數據傳輸。RS-485是美國電氣工業聯合會（EIA）制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準。它采用差分信號進行傳輸；最大傳輸距離可以達到1.2 km；最大可連接32個驅動器和收發器；接收器最小靈敏度可達±200 mV；最大傳輸速率可達2.5 Mb/s。同時，RS－485協議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。這也為今后該數據采集系統進行多點數據采集的功能擴展奠定了基礎。

　　MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態；當DE為邏輯1時，器件處于發送狀態，因為MAX485工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為1；當A的電平低于B端時，代表發送的數據為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。

　　圖-2 數據發送電路

　　圖-3 “看門狗”電路

　　在數據接收端，手提電腦上的串行接口采用的是RS-232C電平，因此還需要將RS-485電平進行轉換。由于在數據接收端采用的手提電腦需要攜帶方便，因此這里采用的是市面上比較小巧緊固的電平轉換接口，這里就不做贅述。

　　2.3 主要的抗干擾措施

　　對MAX354的輸入端采用隔離放大器進行信號隔離，采用隔離放大器的變壓器將信號磁耦合 ，隔離了通路的線路連接，從而切斷了干擾源。這樣對壓裂設備上發動機的干擾有了一定效果的屏蔽作用。

　　同時，為了防止單片機受干擾影響而發生“死機”等現象，系統還利用MAX706芯片設計了“看門狗”電路，提高了系統的抗干擾能力，如圖-3。MAX706是一種性能優良的低功耗CMOS監控電路芯片，其內部電路由上電復位、可重觸發“看門狗”定時器及電壓比較器等組成。MAX706只要在1.6秒時間內檢測到WCI引腳有高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器清零并重新開始計時；若超出1.6秒后，WCI引腳仍無高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器溢出，WDO引腳輸出低電平，進而觸發MR手動復位引腳，使MAC706復位，從而使“看門狗”定時器清零并重新開始計時，WDO引腳輸出高電平，MAX706的RST復位輸出引腳輸出大約200毫秒寬度的低電平脈沖，使單片機控制系統可靠復位，重新投入正常運行。MAX706的控制只需要利用單片機的P1.5引腳通過簡單編程實現。