总线式数据采集系统的设计【字数：10999】
时代在巨大发展与变革中，科学技术不断向新的领域跃进，数据采集系统也不断产生新的生命力，在互联网及分布式领域和航天航空领域已被广泛使用，但传统的数据采集系统已经无法满足大型监控设备的要求。本课题设计的总线式数据采集系统就是为了能够扩大数据采集范围，提高采集精度，增加数据采集通道以及增强数据传输的稳定性，为数据采集提供一种新的方式。本课题是基于RS-485总线和51系列单片机设计的数据采集系统,包括一个主节点和32个从节点。主节点通过总线挂接32个从节点,从而对32个不同地点的数据进行采集,每个地点可以采集8路电压值为0~5V的模拟信号,采集到的数据通过总线传回主节点，主节点通过无线方式与上位机通信。本文在设计时主要分成主节点和从节点两个部分，主节点由单片机主控电路，RS-485总线和无线传输模块构成，从节点部分由主控电路，RS-485总线和A/D采集模块构成。其中单片机主控模块选择AT89C52单片机实现，RS-485总线使用的是MAX485芯片，无线传输模块选用NRF24L01来完成，最后A/D采集模块使用芯片为ADS1258。将各模块通过具体的硬件设计和软件设计来完成本课题的要求和指标。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景、应用领域及意义 1
1.2课题研究现状及趋势 2
1.3论文主要内容 2
2. 系统总体方案设计 4
2.1数据采集系统的设计要求及技术指标 4
2.1.1 设计要求 4
2.1.2技术指标 4
2.2系统框图 5
2.3方案设计 6
2.3.1无线通信方式的选择 6
2.3.2数据采集芯片的选择 6
2.3.3核心控制芯片的选择 7
2.3.4总线芯片的选择 7
2.4系统整体工作流程： 8
3. 系统硬件电路设计 9
3.1单片机最小系统模块设计 9
3.2数据采集模块电路设计 11
3.2.1ADS1258简介 11
3.2.2模数转换电路设计 12
3.3 RS485总线硬件电路设 13
3.3.1 RS485总线介 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
绍 13
3.3.2 RS485 总线硬件电路设计 15
3.4无线传输电路设计 15
4. 系统软件设计 18
4.1软件系统流程： 18
4.2主节点部分的软件设计 18
4.2.1主程序模块 18
4.2.2串口中断模块 20
4.3从节点部分软件设计 22
4.3.1主程序模块 22
4.3.2 A/D转换模块 23
4.4通信协议 24
5. 总结 26
参考文献 27
致谢 29
绪论
课题研究背景、应用领域及意义
近年来，随着电子信息技术的快速发展，各种预警和监控设备被不断完善，尤其是这些设备中的数据采集系统也在不断更新。当一些系统需要对外界的一些物理参数[1]，例如，温度，湿度，电压值，压力值，光强度，气体浓度等进行测量采集或分析时，往往需要先把这些物理参量的模拟信号通过对应的传感器来识别并转换成电量信号，数据采集系统才可以方便处理这些信号[2]。而在科技发展愈发迅猛，不断创新开发新技术的领域里，对数据采集的要求不断提高，更多的设备仪器需要具备同时采集多个地点，多路信号的功能，在此背景下，总线式数据采集系统应运而生[3][4]。
总线式数据采集系统的特点及工作方式的优越性，使其应用领域十分广泛，通过总线将多个数据采集子系统连接在一起，再由总线上的主节点传输至上位机。不同地点的模拟量经转换成数字量再由总线传输，会比模拟量的传输更加稳定传输容量更大，所以可传输距离更远，同时也增加了传输通道，因此，总线式数据采集系统更加适用于多点和多通道的远距离测试[5]。该系统涉及到的软件设计和硬件设计都有诸多的选择性，所以自主开发性较强，也更加灵活多变，可以通过软硬件设计来改变该系统性能，使其达到更高的效率，所以其应用范围涉及到国民经济的多个领域，如航天航空、地质勘察、电子通信、环境监测、交通运输、工业生产、医疗、机械、军事、仪器仪表等[6]。
数据采集系统在国民生活中的运用彰显了其重要意义，在各个领域中的发展运用也在不断前进，总线的出现与数据采集的结合，使得监测系统有了很大的改变和进步[7][8]。不仅增加了所连接的节点数量，使传输通道增加，更改善了传输速率和传输范围的问题，还可以通过软硬件的设计来提高数据采集的精度，提高抗干扰能力，使得数据传输更加稳定。任何一个优秀的监测系统离不开数据采集，所以数据采集系统既需要方便实用，又需要精准无误，所以本课题的设计就是以保证采样频率和精确度为前提，来实现提高系统智能化，降低系统复杂度的最终目标[9]。
1.2课题研究现状及趋势
数据采集在生产，科研以及生活中已成为必不可少的一环，数据采集的速度与A/D转换速度和采样的频率有关，其精度则与转换器的位数有关。当数据采集遇到多机系统的传输与采集任务时，就需要结合总线技术了[10]。就总线而言，目前市面上存在包括RS485，CAN，PCI，ISA，USB串行总线I2C等多种总线技术，其主要性能参数主要是总线的工作频率，数据总线的位数，和数据传输的速率。
在一些关于总线式数据采集的相关文献中，很多人选择了RS485总线，原因在于，RS485总线的各种特性与其它总线相差无几，但它的传输距离更远，传输速率也更快，最大可达到40Mbps，而且RS485总线采用半双工工作方式，可以有效减少不必要的功耗，并且可支持多点通信。这里需要注意的是RS485总线网络间连接的传输线是双绞线，且由于半双工通信，所以主从机的发送和接收信号的功能需分开，独立进行[11][12][13]。
当然该课题所做系统还有一个重要的模块，就是主控制电路。很多方案里都提及用SRAM型的FPGA，里面的Spartan6系列的XC6SLX16_196当主控芯片，由于该芯片在使用时每次信息导入都需要配置，暂时不考虑。除此之外，51系列的单片机也是主流选择，例如AT89C2051,AT89C52等等。选择自带串口的单片机可以与RS485总线相连，加上单片机与数据采集模块的搭配运用较为常见，所以也成为较好的选择[14][15][16]。
数据采集系统在发展过程中随着芯片集成技术的提高，以及有大量的单片机采集系统出现，既拥有高达16位的采集精度，有拥有几百千赫兹的采样频率，在今后不断地研究与发展下，会有更大的突破，更广泛的市场，当数据采集与总线式的特点相结合，不难发现这将成为今后数据采集，数据传输的必然趋势[17][18]。
1.3论文主要内容
本课题是基于RS485总线设计的数据采集系统,包括一个主节点和32个从节点。主节点通过总线挂接32个从节点,从而对32个地点的数据进行采集,每个地点可以采集8路电压值为0~5V的模拟信号,采集到的数据通过总线传回主节点。主节点通过无线方式与上位机通信。本课题的研究内容主要是以下几个方面：
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景、应用领域及意义 1
1.2课题研究现状及趋势 2
1.3论文主要内容 2
2. 系统总体方案设计 4
2.1数据采集系统的设计要求及技术指标 4
2.1.1 设计要求 4
2.1.2技术指标 4
2.2系统框图 5
2.3方案设计 6
2.3.1无线通信方式的选择 6
2.3.2数据采集芯片的选择 6
2.3.3核心控制芯片的选择 7
2.3.4总线芯片的选择 7
2.4系统整体工作流程： 8
3. 系统硬件电路设计 9
3.1单片机最小系统模块设计 9
3.2数据采集模块电路设计 11
3.2.1ADS1258简介 11
3.2.2模数转换电路设计 12
3.3 RS485总线硬件电路设 13
3.3.1 RS485总线介 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
绍 13
3.3.2 RS485 总线硬件电路设计 15
3.4无线传输电路设计 15
4. 系统软件设计 18
4.1软件系统流程： 18
4.2主节点部分的软件设计 18
4.2.1主程序模块 18
4.2.2串口中断模块 20
4.3从节点部分软件设计 22
4.3.1主程序模块 22
4.3.2 A/D转换模块 23
4.4通信协议 24
5. 总结 26
参考文献 27
致谢 29
绪论
课题研究背景、应用领域及意义
近年来，随着电子信息技术的快速发展，各种预警和监控设备被不断完善，尤其是这些设备中的数据采集系统也在不断更新。当一些系统需要对外界的一些物理参数[1]，例如，温度，湿度，电压值，压力值，光强度，气体浓度等进行测量采集或分析时，往往需要先把这些物理参量的模拟信号通过对应的传感器来识别并转换成电量信号，数据采集系统才可以方便处理这些信号[2]。而在科技发展愈发迅猛，不断创新开发新技术的领域里，对数据采集的要求不断提高，更多的设备仪器需要具备同时采集多个地点，多路信号的功能，在此背景下，总线式数据采集系统应运而生[3][4]。
总线式数据采集系统的特点及工作方式的优越性，使其应用领域十分广泛，通过总线将多个数据采集子系统连接在一起，再由总线上的主节点传输至上位机。不同地点的模拟量经转换成数字量再由总线传输，会比模拟量的传输更加稳定传输容量更大，所以可传输距离更远，同时也增加了传输通道，因此，总线式数据采集系统更加适用于多点和多通道的远距离测试[5]。该系统涉及到的软件设计和硬件设计都有诸多的选择性，所以自主开发性较强，也更加灵活多变，可以通过软硬件设计来改变该系统性能，使其达到更高的效率，所以其应用范围涉及到国民经济的多个领域，如航天航空、地质勘察、电子通信、环境监测、交通运输、工业生产、医疗、机械、军事、仪器仪表等[6]。
数据采集系统在国民生活中的运用彰显了其重要意义，在各个领域中的发展运用也在不断前进，总线的出现与数据采集的结合，使得监测系统有了很大的改变和进步[7][8]。不仅增加了所连接的节点数量，使传输通道增加，更改善了传输速率和传输范围的问题，还可以通过软硬件的设计来提高数据采集的精度，提高抗干扰能力，使得数据传输更加稳定。任何一个优秀的监测系统离不开数据采集，所以数据采集系统既需要方便实用，又需要精准无误，所以本课题的设计就是以保证采样频率和精确度为前提，来实现提高系统智能化，降低系统复杂度的最终目标[9]。
1.2课题研究现状及趋势
数据采集在生产，科研以及生活中已成为必不可少的一环，数据采集的速度与A/D转换速度和采样的频率有关，其精度则与转换器的位数有关。当数据采集遇到多机系统的传输与采集任务时，就需要结合总线技术了[10]。就总线而言，目前市面上存在包括RS485，CAN，PCI，ISA，USB串行总线I2C等多种总线技术，其主要性能参数主要是总线的工作频率，数据总线的位数，和数据传输的速率。
在一些关于总线式数据采集的相关文献中，很多人选择了RS485总线，原因在于，RS485总线的各种特性与其它总线相差无几，但它的传输距离更远，传输速率也更快，最大可达到40Mbps，而且RS485总线采用半双工工作方式，可以有效减少不必要的功耗，并且可支持多点通信。这里需要注意的是RS485总线网络间连接的传输线是双绞线，且由于半双工通信，所以主从机的发送和接收信号的功能需分开，独立进行[11][12][13]。
当然该课题所做系统还有一个重要的模块，就是主控制电路。很多方案里都提及用SRAM型的FPGA，里面的Spartan6系列的XC6SLX16_196当主控芯片，由于该芯片在使用时每次信息导入都需要配置，暂时不考虑。除此之外，51系列的单片机也是主流选择，例如AT89C2051,AT89C52等等。选择自带串口的单片机可以与RS485总线相连，加上单片机与数据采集模块的搭配运用较为常见，所以也成为较好的选择[14][15][16]。
数据采集系统在发展过程中随着芯片集成技术的提高，以及有大量的单片机采集系统出现，既拥有高达16位的采集精度，有拥有几百千赫兹的采样频率，在今后不断地研究与发展下，会有更大的突破，更广泛的市场，当数据采集与总线式的特点相结合，不难发现这将成为今后数据采集，数据传输的必然趋势[17][18]。
1.3论文主要内容
本课题是基于RS485总线设计的数据采集系统,包括一个主节点和32个从节点。主节点通过总线挂接32个从节点,从而对32个地点的数据进行采集,每个地点可以采集8路电压值为0~5V的模拟信号,采集到的数据通过总线传回主节点。主节点通过无线方式与上位机通信。本课题的研究内容主要是以下几个方面：
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