Revivification of Intelligence Data Collection System Based on SCM
Xu Shuyan；Li Shixiong；Su Yibai
（China Agricultural University，Beijing 100083，China）
摘要：随着经济的飞速发展和科学技术水平的不断提高，智能数据采集系统在工业生产以及科学研究中得到了广泛的应用。在信息化时代，数据和信息无疑成为一种重要的资源，而数据采集系统的出现更是进一步促进了人机交互、对设备的自动检测控制等的实现，为现代化工业生产提供了方便。本文将分析基于单片机的智能数据采集系统的研究必要性，阐述基于单片机的智能数据采集系统的设计要点及其具体方法，以期对基于单片机的智能数据采集系统的改造和创新做出应有的贡献。
Abstract: With the rapid development of economy and the increase of scientific and technological level, intelligence data collection system is widely used in the industrialproduction and scientific studies. In the information age, data and information had become the important resource and data collection system further promotes the man-machine interaction and automatic detection control of the device, providing convenience for the modern industrial production. This article examines necessity of the research on intelligence data collection system based on SCM, and expounds the key points of design and the methods, to contribute to the reform and innovation of intelligent data collection system based on SCM.
关键词：单片机 智能数据采集系统 设计
Key words: SCM；intelligence data collection system；design
中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0139-03
0引言
智能数据采集系统作为一种及其实用的电子技术，被广泛地运用到信号的检测、设备的监测、信号的处理、仪器和仪表的检测等等很多领域。随着信息时代的来临，信息技术特别是数字化技术得到了不断的发展，因而智能数据采集系统的设计也得到了不断的改进和完善，当今的数据采集技术实现了速度的提高、数据量的增大、数据通道的增多等很多方面的发展，而基于单片机的智能数据采集系统更是凭借其紧凑的结构特点、稳定的工作性能、良好的可扩展性、丰富的功能等优点得到了充分的重视和广泛的应用。因而，我们因该在充分利用和发挥基于单片机的智能数据采集系统的上述优点的同时，对基于单片机的智能数据采集系统进行进一步的分析和研究，以实现对该系统设计的优化和完善，进一步发挥该系统在工业生产和数据科研等当面的重要作用。
1智能数据采集系统的发展趋势
1.1 国外发展趋势智能数据采集系统在国外已经得到广泛的利用，其中该系统在工业行业最早应用，使得外国工业得到快速发展，工业质量和水平得到飞速提高。
1.2 国内的发展趋势伴随着国外单片机的智能数据采集系统的发展和其自身的便捷高效的特点，智能数据采集系统得到越来越多的国内厂商和用户的支持。这个领域的企业也越来越重视这方面的研究与开发。
2智能数据采集系统的重要性
单片机是一种集成电路芯片。它应用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器、计时器等功能（还可能包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上，组成一个小而完善的计算机系统。而单片机的智能数据采集系统是一种集计算机、现代传感、信息融合、人工智能、自动化及通讯等高科技技术于一体的，运用多传感器进行数据采集，微控制器进行数据分析处理，系统的应用PID控制技术的数据采集系统。单片机的这种智能数据采集系统在我们的生活的各个领域都有着广泛的应用。它的应用大到导弹的导航装备、飞机的仪表控制、计算机网络通讯与数据传输及工业的制动化，小到轿车的安全保障系统、录像机、摄影机、全自动洗衣机的智能控制及电子玩具等。尤其是近几年来，自动控制机器人，各大智能仪表、智能机械等的快速发展更是离不开单片机的智能数据采集系统。
随着社会的进步，人们对智能化的要求越来越高，这就使得单片机的智能采集系统显得越来越重要，越来越被人们依赖。因此，对单片机的智能数据采集系统的进行更深入的研究就越来越有必要。
3单片机的设计
3.1 系统总体分析单片机的智能数据采集系统设计主要分为两部分，一部分是硬件系统设计，它包括前段传感器、单片机、液晶显示器和SUB通信接口。其中，单片机是数据采集系统中完成信号转换的核心部件，它能够对转化后的数据信息进行运算整理并通过液晶显示器进行即时展现；而USB通信接口则是数据采集系统功能的进一步补充。它可以直接快速的将采集到的数据传到PC，利用PC的数据处理速度快、储存量大的特点将数据快速的分析处理。另外，SUB还具有可以提供电源的优点。另一部分是软件设计。该系统的软件由主程序、系统监控软件、定时与中断系统程序等组成。
单片机的硬件系统与软件系统只有在紧密联系，通力合作的相互协调的情况下才能构成一个高端的数据采集系统。在对系统进行研发的过程中，不可将两者分开单独进行设计研究，要根据两者之间的关系，例如，设计硬件时要注意系统的功能及软件的可实现性，同时，设计软件时要考虑用硬件的工作原理和硬件的配置问题。总之，单片机的智能采集数据系统是一个极其复杂的高端系统，在探索研究的过程中要时时注意硬件与软件是一个紧密联系的整体，决不可将两者单独分析研究。
3.2 硬件设计
3.2.1 硬件组成设计在单片机的智能采集数据系统中，其硬件系统是基础。它的电路设计最好选择标准化的、通用的电路，并且符合单片机应用系统的一般用法。当单片机外接电路较多、较复杂时，就要考虑硬件系统的驱动能力。此外，硬件系统的可靠性和抗电磁干扰的能力是硬件设计中不可或缺的一部分，且其可靠性和抗电磁干扰能力与硬件自身的结构材料有关，应给与充分的认识和严格的对待。同时，在硬件设计过程中，要尽可能的考虑到软件的程序设计，如果软件可以完成的功能，则就用软件设计的方法实现，从而使得硬件的设计更加简捷轻便。本文将就AT89S52单片机作为系统的单元，用TLC1543作为A/D芯片。AT89S52是美国ATMEL公司制造的8位Flash单片机。这种单片机的采用高密度、非易失性存储器制造技术，在工业上，他与标准的80C51引脚和指令系统兼容。该单机片内的8KBFlash程序存储器有两个优点，一方面他可以用传统的方法进行编程；另一方面，它也实现了直接在线编程。它的内部安装了看门狗计时器，因而无需外接看门狗计时部分。该片的工作频率最高可以达到33HMz，计算速度极高加之它的高灵活性和低成本，使它在很多复杂的智能控制领域得到广泛的应用。TLC1543是一种接口较为简单的串行A/D转换器。它的转换时间为10微秒，精确度是10位分辨率而且它的噪音很低，是一个较高性能的转换器。其他的硬件则采用美国Xicor公司生产的X25045，显示驱动芯片是一款可以方便的与任何一种单片机连接的LEDPS7219 芯片。它是一种高性价比、功能较强的多位LED显示管理芯片，可同时驱动8位LED。串行通讯接口芯片应用的是MAX公司的拟MAX232ECP芯片。这是一款典型的串行通讯接口芯片，具有9600位/秒地波特率设置。而非易失存储器采用SD2001E来储存采集到的数据。该系统工作中每分钟按照一定的形式储存一次采集来的数据。
3.2.2 A/D采样模式设计TLC1543是采用SPI技术的模拟数字转换器，其特点有输入通道多、速度快、分辨率高、性价比高，易于单片机接口等。它的控制CS,I/OCLOCK,ADDRESS和数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口的SPI协议。单片机，TLC1543再加上少量的外围辅助器可以组成一个性价比较高的只能数据采集系统。由于，TLC1543占用很少的单片机资源，所以，单片机有足够的资源和空间完成显示、控制功能。TLC1543有两个工作周期：访问周期和采样周期。运行中由CS控制使能和禁止，但CS必须防低电平。CS是高电平时，I/OCLOCK和ADDRESS就会同时被禁止，DATAOUT为高阻状态。当CPU时CS降低时，TLC1543开始进行数据转换，I/OCLOCK和ADDRESS使能，DATAOUT变回原状态。接着，在CPU的控制下实现模拟输入和保持电路。同时，I/OCLOCK端输入时钟时序，CPU从DATAOUT处接受前一次A/D的转换结果。其中，始终序列的长度为10个时钟，前四个时钟通过利用4位地址从ADDRESS装载地址寄存器来选择模拟通道，后六个时钟控制模拟输入的采样。所以，模拟是虚的采样开始于第四个时钟序列。DATAOUT引脚脱离高阻状态引起一次I/OCLOCK工作过程。最终由CS的上升沿终止并在一定的延缓时间内使DATAOUT的引脚返回到高阻状态。在这两个工作周期后禁止I/OCLOUCK和DATAOUT端。TLC的工作时序如图1。
以上特点和工作流程使得单片机虽没有内按SPI接口，但通过软件模拟SPI协议也可以实现通信。
3.3 软件设计软件程序有三个层次：单片机程序、设备驱动程序和客户应用程序。单片机程序的工作是控制开发板；设备驱动程序是Windows核心的一部分。它和系统中的SUB总线驱动程序一起管理PC机对SUB设备；客户应用程序是提供能够时时刻刻控制的人机操作界面，并对现场进行有效的监管控制，是软件程序的最高层。
3.3.1 单片机程序设计单片机是由C语言设计的，设备正常工作的核心程序。它的作用是：控制A/D模块的数据采集；控制RT12864M使之时时显示采集来的信号；实时上传即时的数据给PC；控制芯片接受和处理SUB驱动程序的请求。单片机的程序主要分四个部分：初始化部分，数据处理部分，显示监控部分和USB通信部分。初始化部分主要负责当设备上电后，对设备进行初始化的配置；数据处理模块主要是对前端采集来的数据进行简单的预处理，解码主机请求，并对主机的请求进行适当的处理；显示监控部分则是对采集的信息进行实时显示；USB通信部分将主机与前端采集信息的硬件进行信息的反馈，它是固件设计的重中之重。单片机将大的程序分为四部分的特点，大大提高可设计的可靠性，使其可读性方便，软件升级简单。
以SUB通信模块威力，通信模块固件结构如图2。
SUB的中断服务可以根据实际的需要编写，例如发出启动或停止数据采集命令。
中断服务处理函数代码如下：
usb_isr() interrupt 0 //中断服务程序人口
{
DISABLE: //关中断
uint i_st:
//置中断处理标志位
bEPPflags.bits.in_isr=1;
//读中断寄存器
i_st=ReadInterruptRegister();
switch(i_st)
{
case D12_INT_BUSRESET:
bus_reset();
bEPPflags.bits.bus_reset=1;
break;
case D12_INT_SUSPENDCHANGE:
bEPPflags.bits.suspend=1;
break;
……
default;
break;
}
//清中断处理标志位
bEPPflays.bits.in_isr=0;
ENABLE;//开中断
}
3.3.2 驱动程序设计驱动程序是处于软件和硬件之间的方便两者之间的信息交流的软件组件。当SUB初次接入设备时，系统将会自动识别并为其安装驱动程序，之后当鼠标键盘等类似的设备再接入时，操作系统将会对其进行扫描查询，这时，用户就不能主机的数据进行监控，所以，安装专用的驱动程序就显得尤为重要。
Windows驱动程序要用专业的工具进行开发，而且过程十分复杂。这种专业的工具的种类很多，在这以WINDRIVER为例。这种工具软件能够自动安装SUB设备驱动程序，能够大大减少研发者的工作难度和工作量。
打开WRIDERWIZARD驱动系统，创建一个新程序，弹出Cardinformation窗口后，可以看到将要创建的驱动程序的设备信息，单击generate.INFfile会出现驱动程序的硬件配置信息，然后按照这些信息来设计驱动程序。当LED灯不再闪烁时，驱动程序安装成功。最后，就可以根据这个驱动程序为设备编写应用程序来实现主机与设备数据的交换。
3.3.3 应用程序设计应用程序能够为用户提供用户界面，使用户实现对设备的监管和控制。
它的设计也要运用driver wizard。首先，打开driver wizard，创建新的窗口；选择需要的SUB设备，然后选择generate code，出现一个应用程序的工程源代码。最后，对所建的程序进行编译连接，得到一个能够执行的程序。
工具软件Windriver创建的驱动程序不仅能够提供部分简介控制设备硬件的接口函数，使用户利用这些接口函数改写自己的应用程序；还可以实现SUB接口通信的大部分功能。
总之，单片机的智能数据采集系统虽然在设计上有着诸多的困难，但是它给广大使用者带去了更多的方便和实用，大大减少了用户在数据处理，设备监控等方面的复杂程序。基于单片机的智能书记采集系统的优点，设计者应该不断地进行改造和创新，使得单片机的智能数据处理系统能够更高效，更便捷的为用户服务。
参考文献：
[1]朱芳.基于单片机的数据采集系统设计[J].重庆科技学院学报,2009,(2):95.
[2]董巍巍，李钊，李建军，李冰，彭黎明.基于单片机的数据采集系统设计[J].计算机与网络，2009，(12):34.
[3]俞荣，赵子真.单片机自动控制应用系统的设计探讨[J].机械管理开发，2010，(1):201.
[4]刘明龙，刘浩，王腾.基于单片机的智能数据采集系统[J].科技博比.2009，(32):167.
[5]吕宏丽，马壮.基于单片机的自动控制系统的数字化改造[J].实验室科学，2009，(2):87.
[6]尹海宏.基于单片机技术的数据采集系统的设计[J].信息技术，2008(12):5.
[7]唐宝成.基于C8051F020单片机的数据采集设计[J].科学与财富，2010，(4):6.
[8]许文斌，曾全胜.单片机实时数据采集系统设计[J].机械与电子，2009，(5):56.
[9]任勇峰，张时华，刘广军.基于C8051f060单片机的数据采集系统[J].电子技术，2009，(8):13.
[10]谭晶星，阴晓峰.一种低成本的单片机数据采集系统[J].电脑知识与技术，2009，(4):2726.
