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摘要：单片机数据采集系统一般情况下是由硬件系统和软件系统构成的，本文以高速SOC型C8051F020单片机为研究对象，创新性的角度出发设计一套实现多通道数据的采集处理系统，并对其硬件各设计模块特点和系统软件设计做了探索性的设计优化，该系统数据采集复杂高端，在人工智能、仪器仪表等智能化等方面应用越来越广泛，不仅体现出重要的工业使用价值，也对人们的现代化生活产生了深远影响。
关键词：SOC单片机；数据采集处理；设计实现
前言
当前，计算机和互联网在世界范围内大面积普及应用，从而促进社会数字化的发展速度不断加快，相应数据采集就体现出了其极具领先的优越性。就其自身特性来说，数据采集系统是基于高精度模拟测量的一套设备，把获取数据输入计算机按照需求目的进行针对性的操作。随着科技水平不断进步，各式各样的新兴数据采集策略越来越多呈现，从而让计算机应用需求更丰富，发展规模更迅猛。不过随着多样性多元化的趋势，有限的成本下开发的一套数据采集系统，难以覆盖到每一个各方面。因此，基于SOC单片机技术的发展背景下的多通道数据采集处理又有新的设计思路，激发数据的采集和处理设计应用创新。
信号采集技术与整个系统顺利实施应用控制密切相关，是系统设计理念的核心体现，对顺利发挥系统控制综合性能也是非常关键的实施路径。按照控制系统先进性分析来看，高效率实施被控对象的检测前提条件，是要完善采集相关的基本状态内容，一般来说温度、压力、流量、速度等内容是比较重要的，借助计算机应用进行全面模拟还原，设计核心理念要充分发挥出来，即完成全面系统性的数据分析来反馈与控制过程实施效果，明确优化和改进的方向。
1.系统总体设计方案
该系统以数据采集模块作为中央处理单元，设立相互间独立工作的模块，按照每个独立模块进行划分的话，详细地将分为单片机控制电路、传感器接口电路、信号调理电路、键盘电路、时钟电路、显示电路、存储电路、JTAG 接口调试电路、串口通信电路，主要框架的设计理念构想图见图1-1。
图1-1 数据采集系统框图
该系统的基本运行原理是：首先借助传感器来实现第一步非电量特征的数据信息采集并且转换成模拟信号执行下一步传输，设计信号调理电路的主要作用就是接收模拟信号实施转换功能输出0-3.3V的电压信号进入SOC单片机，A/D 转换器作为SOC单片机内部架构的一部分完成接收信号动作，事先完成CPU采样频率要求设置，完成一共12 路通道电压信号采集处理动作，识别A/D转换器提供的模拟量，输出数字量，进行综合处理后的实时数据实时测量数据就能够借助液晶显示模块展现到使用者眼前，此时的数据以及采样时间也会自动写入存储器中。借助串行通讯模块发送这部分数据到计算机，利用相应的软件完成数据编辑和存储。这样设计的数据采集系统模块化组装，单个模块流水线制造，所以成本上有一定优势，硬件的使用寿命长且稳定，灵敏度好，所以在温度、压力和流量等高要求的数据采集处理。
2.硬件模块设计
该SOC单片机系统可以进行多种高要求条件下的数据采集和处理应用，即使是工作条件恶劣也能够保持很高的稳定性，能够保证不同类信息采集处理过程灵敏准确，不出现遗失数据或者破环等问题。在该项设计中，单片机采取功耗和性能表现都非常优越的CMOS8位微处理器C8051F020。该芯片完美集成了各种混合信号。作为系统级MCU 芯片，它配置了64条数字I/O针脚；集成片内VDD监视装置，快速高效运行架构的8051 与CIP-51 内核实现完美兼容；高速、非侵入式调试接口，12位、100ksps具有8个通道的ADC，附PGA以及多路模拟启闭、双12位DAC、实现编程和时序更新、兼有64K字节FLASH低速存储器、附有4352字节外部数据存储器输入输出、SPI、SMBus/I2C、双UART串行输入输出端、看门狗电路、VDD 监视装置、温度传感器和时钟振荡器的C8051F020是完整的片上控制系统。系统操作过程模拟参数设置和数字化要求可以依照用户固件配置来调整。
2.1 传感器模块
该模块的主要作用是识别并测出各类物理参数同时转换成电压电流信号，然后传感器再将转换的模拟信号输出到信号调整模块中。另外信号有时候需要配置放大器，主要是看信号能不能达到A/D 转换器最低数值输入要求，满足的话就不要配置，不满足则配需配置放大器。通常所测项目参数性质和要求区别较大，因此传感器所采取的工作策略也会有明显区别。通常我们见到的主要是温度传感器、压力传感器和流量传感器等这些模块。如图2-1。
图2-1 传感器模块 图2-2 信号转换模块
2.2 信号调整模块
它主要是接收并处理传感器输出的模拟电信号，然后输入SOC单片机内，即实现C8051F020模拟量需求。信号调整模块是在整个单片机系统的重要输入，数据采集后转化的稳定电压信号进入单片机结构。因为采集过程中会接触到巨量模拟信号并实时传输借助调整模块进行处理转换，所以信号采集模块的设计一定要关注精准和实时提取方面的要求，防止其它干扰源影响采样信号。如图2-2。
2.3 时钟模块
采集处理数据必须对时间加以描述，该系统采取的是DS1302 设计时钟记录模块。其结构简单灵便，时间记录稳定，针对性记录有效加强，也减轻了记录工程量，提高时间记录实时效率。如图2-3。
图2-3 时钟电路模块
2.4 键盘和显示模块
CH451芯片主要用来控制时间和实现传感器测量数据的显示作用。其内部附有RC振荡电路，能够满足数据全方位控制的要求。它还内附大电流驱动级，段电流保持30mA以上，字电流保持160mA以上，实现16级亮度等级控制要求；内附64K键盘控制装置，轻松完成8×8矩阵操作，去抖动模块实现中断或释放指令；还兼有看门狗电路功能。CH451采用8 个数码管DS1～DS8 和4 个按键S1~S4，DS1～DS4 完成时间控制显示，DS5～DS8完成测量数据控制显示。外部按键可以实现时间、日期和采集信号切换实时调整需求。如图2-4。
图2-5 存储器模块
3.系统软件设计
单片机软件设计程序上主要有上电初始化、数据采集和传输处理。设备开机时，第一步完成上电初始化，等到系统达到进行额定工作参数时。执行模拟量采集动作。传感器采集信号经过数据转换后输入显示系统为用户使用，采集数据和时间也同时完成存储。然后上位机传出的指令要求时，采集数据借助串口输入到上位机。为了提升数据采集系统精度水平，取10组测量数据删除最大最小值，加权平均值作为最终矫正数据。单片机程序流程图如图3-1 所示，上位机程序流程图如图3-2 所示。
图3-1 单片机程序流程图 图3-2 上位机程序流程
4.结束语
该系统数据采集能够实现多种环境条件下的数据采集和显示，建立巨量及时存取的存储数据库。操作过程中上位机和按键两种方式实现对数据个性化实时采集，在当前工业化、智能化等方面应用相当普遍，不仅体现出重要的工业使用价值，也对人们的现代化生活有积极的促进意义。
参考文献：
[1]雷根平，李静.基于单片机与DSP的数据采集与处理系统设计[J]. 电脑开发与应用，2014（2）
[2] 林国汉，李晓秀. 基于单片机的数据采集与处理系统的设计[J]. 湖南工程学院学报（自然科学版），2009（2）
论文作者:马宇辉
论文发表刊物:《河南电力》2019年1期
论文发表时间:2019/9/2
标签：数据论文; 模块论文; 单片机论文; 信号论文; 系统论文; 数据采集论文; 电路论文; 《河南电力》2019年1期论文;