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1、杨弋、程于、王嘉敏、任召宝：多路数据采集控制器（ROTUES 仿真软件）-1-1 系统概述1.1 概述前端数据采集能够及时获取被控对象和生产过程的有效信息，在某些实时性要求高的场合尤为重要。工业生产过程中，为了清晰地反映出生产过程的详细信息，往往需要获得多个参量的动态数据，这就有必要对被控对象和生产过程进行多路数据采集。数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个借口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。 采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的设备。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。为
2、现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。由于外界输入的信号都是模拟信号，而计算机只能处理数字信号。所以外界信号要经过数据采集器（A/D 转换和 D/A 转换） ，才能由计算机处理。而且，由于外界的信号往往不止一路，所以多路数据采集器的设计就显得十分的必要。1.2 ProteusProteus 介绍介绍Proteus 是英国 Labcenter Electro-nics 公司开发的一款电路仿真软件，软件由两部分组成：一部分是智能原理图输入系统 ISIS(Intelligent Schematic Input System)和虚拟系统模型 VSM(Virtual Model Syste
3、m)；另一部分是高级布线及编辑软件 ARES(Adv-Ancd Routingand Editing Software)也就是 PCB.Proteus 可以仿真模拟电路及数字电路，也可以仿真模拟数字混合电路。 Proteus 可提供 30 多种元件库，超过 8000 种模拟、数字元器件。可以按照设计的要求选择不同生产厂家的元器件。此外，对于元器件库中没有的元件，设计者也可以通过软件自己创建。除拥有丰富的元器件外，Proteus 还提供了各种虚拟仪器，如常用的电流表，电压表，示波器，计数/定时/频率计，SPI 调试器等虚拟终端。支持图形化的分析功能等。Proteus 特别适合对嵌入式系统进行软硬
4、件协同设计与仿真，其最大的特点是可以仿真 8051，PIA，AVR，ARM 等多种系列的处理器。Protues 包含强大的调试工具，具有对寄存器和存储器、断点和单步模式 IAR C-SPY,Keil、MPLAB 等开发工具的源程序进行调试的功能；能够观察代码在仿真硬件上的实时运行效果；对显示，按钮，键盘等外设的交互可视化进行仿真。1.3 设计要求（1）此系统采用 PROTUES 仿真系统设计信号发生器，能够产生幅值范围为5V 可调，频率为 1k-10kHz 可调的正弦波、方波、三角波。杨弋、程于、王嘉敏、任召宝：多路数据采集控制器（ROTUES 仿真软件）-2-（2）设计一个多路数据采集器，每
5、一路都能够采集由信号发生器产生的信号，并能通过 LED（LCD）显示波形的频率及幅值。并设计了人机交互接口，包括键盘、显示器和发光二极管。而且能够通过人机交互接口设置信号发生器参数和数据采集器的告警上下限，并能通过发光二极管给出上下限告警（如超上限则用红色发光二极管报警，超下限用绿色发光二极管报警） 。2 系统分析2.1 信号发生器 信号发生器是一种产生所需参数的电测试信号仪器。我们这次设计的信号发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波，并且频率和幅值可调的信号发生器。该信号发生器可以广泛应用于通信、仪表和自动控制系统测试之中，还应用于他非电测量领域。我们的设计思想是首先通过单片机把每个点对应
6、的数值计算出来，然后再通过 D/A 转换芯片将数字信号转换为模拟信号输出。在单片机计算每一个点对应的数值时我们幅值因素考虑了进去，因此我们输出的波形是可调的。在 D/A 转换芯片对点进行输出时，我们把频率因素考虑了进去，因此我们输出波形的频率也是可调的。信号发生器系统框图如图 1 所示。波形采样点数据 生成器单片机系统1SRAMD/A转换I/V转换下载保持数据读取数据送 数 字 量输出电流波形输出图 1 信号发生器系统框图2.1 数据采集控制器该模块主要完成从模拟信号输入到量程转换（05V 电压） ，输入方式转换，再到芯片杨弋、程于、王嘉敏、任召宝：多路数据采集控制器（ROTUES 仿真软件）
7、-3-内部完成模拟量的数字量化。对于信号单端直接输入而言，其线路简单、易于实现，但可能信号干扰严重。信号差分输入具有抗干扰能力强的特点。系统框图如图 2 所示。A/D转换单片机系统2LCDLED按键波形整形显示读数字量扫描测试报警模拟信号图 2 数据采集系统框图2.3 LCD 显示模块 LCD（Liquid Crystal Display） ，即液晶显示屏,一般皆分为单色与彩色液晶屏两种。液晶部分由点阵液晶显示器、液晶控制器和内部驱动电源发生器组成。LCD 属于平板显示器的一种，按驱动方式可分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(Simple MATRIX)以及有源矩阵驱动(Active
8、MATRIX)三种。 。LCD 液晶显示屏相比于 LED 显示，有很多的优点，可以在LCD 液晶显示屏上显示波形的形状、频率、幅值等。4. 串口通信串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用 3 根线完成：（1）地线， （2）发送， （3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： a.波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例如 300波特表示每秒钟发送 300 个 bit。当我们提到时钟周期
9、时，我们就是指波特率例如如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是 4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为 4800Hz。通常电话线的波特率为 14400，28800 和 36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是 GPIB 设备的通信。 b.数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII 码是 0127（7 位） 。扩展的 ASCII 码是 0255（8 位） 。如果数据使用简
10、单的文本（标准 ASCII 码） ，那么每个数据包使用 7 位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信杨弋、程于、王嘉敏、任召宝：多路数据采集控制器（ROTUES 仿真软件）-4-的情况。 c.停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为 1，1.5 和 2 位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 d.奇
11、偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位） ，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是 011，那么对于偶校验，校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位 1，这样就有 3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。其原理图如图 3 所示。图 3 串口通信原理图3 功能实现 3.1 信号发生器的设计系统分为 P
12、C 机和单片机系统两部分。从系统图上可见，本系统的硬件部分较简单且成熟：其中 D/A 转换器选用 0832，采用文献1的电路实现双极性电压输出，后接跟随器改善带负载能力。存储器选用 62256。MAX232 实现电平转换。本系统的关键是软件部分，特别是通讯的实现。现分别介绍如下。3.1.1 PC 机部分VB 是一种面向对象的程序设计语言，具有事件驱动编程模式并可以使用添加的控件，能够十分方便地作出良好的人机界面。因此，PC 机采用 VB 编程。用 VB 作出直观的人机界面：图片框中绘制波形，三个命令按钮分别用于波形输出、重新绘制和结束系统。界面如图杨弋、程于、王嘉敏、任召宝：多路数据采集控制器
13、（ROTUES 仿真软件）-5-3 所示。用户拖动鼠标左键在图片框绘制波形时，同时将各点值存储下来，按波形产生键传送给单片机系统。在 PC 的通信模块设计上，MSComm 控件的直接引用使通讯设计变得更加便捷。该控件是一个标准的十位串行通信，可设置串行通信的串口状态及串口通信的信息格式和协议，它提供事件驱动和查询两种处理串行通信的方法。事件驱动法是当串口接收到或发送完指定的数据时，或当状态发生改变时，MSComm 控件都将触发 OnComm 事件，应用程序可通过检查CommEvent 属性的值来获知所发生的事件和错误，从而执行相应的处理。查询法是在每个重要的程序后查询 MSComm 控件某些属
14、性的值来检测事件和通讯错误。本设计采用查询法。值得注意的是在通信模块内设置 MSComm 控件的 Inputmode 属性为 1，则送收二进制数据，反之为字符。另外，由于拖动鼠标绘制图形随意性很强，还需编程均匀插点。为了保证数据通信正确，采用了应答和累加和的检验方法。考虑到本设计的特点，选用“00H、FFH、00H、FFH“作握手信号。PC 机与 89C51 之间的通信如图 2 所示。多功能信号发生器是一种能够产生多种标准信号和用户自定义信号的电子仪器，并具有高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的特点。它是一种信号源，具有连续相位变换和频率稳定等优点，不仅可以模拟多种信号，还可以对频率、幅值、
15、相移、波形进行动态、及时控制，并能和 PC 机及其它模块组成自动测试系统。信号源主要给被测电路提供已知信号，然后测试有研究和实用价值的参数。信号源在自动化、雷达、电子测量等方面有着广泛的应用。现在，随着多功能信号发生器输出波形频率的进一步提高，较新的多功能波形发生器己能提供几百 MHz 频率的波形，从而广泛应用于诸如通讯，计算机和显示等领域。提高多功能波形发生器输出频率，需要高速的存储器和高速的 D/A 转换器。如今，集成电路技术的发展己有 lns 的砷化稼 RAM 产品，但是将大量砷化稼 RAM 用到多功能波形发生器显然价格过高，而且系统功耗较大。多功能信号发生器软件不仅简化了操作，而且更加
16、贴近用户。它可以让工程师使用鼠标、数学方程式在 PC 机上以图解方式设计波形，或者从现有的波形库中取出小段波形和部分波形并以此在 PC 机上设计波形。用户不必编制任何程序，也不用操作面板。用户还可以利用 DSO 采集波形，并将所采集的波形变换为任意波形。所以利用多功能波形发生器和一台合适的 DSO，用户就可以组合成一个完整的波形采集和再生工作站，完全不需要计算机和软件。近年来，仪器技术己经逐步从模拟仪器、数字式仪器、智能仪器向虚拟仪器 (Virtual Instrumentation)发展。虚拟仪器系统中最引人注目的应用就是基于 VXI 总线平台技术的自动测试仪器系统，这些系统很多都是用来测量和产生复杂的波形，VXI 的系统资源在这些应用中具有明显的优势。现代电子技术的发展使得 AWG 的输出频率不断提高，波形输入更加方便，应用领域不断扩大，AWG 性能和 VXI 资源的密切结合将成为新一代测量仪器的发展方向。多功能信号发生器作为一种激励，首先要考虑的是它的输出波形和波形参数。输出波形和波形参数将影响到多功能信号发生器的性能和应用范围。其中尤为重要的是输出频率。输
