0 引言
單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執行程序的過程，即一條條執行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統所決定的，一條指令對應著一種基本操作；單片機所能執行的全部指令，就是該單片機的指令系統，不同種類的單片機，其指令系統亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執行。
1 系統硬件設計
本文設計的通用數據采集和通訊儀能夠對各種現場設備的標準輸出信號進行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號；開關量信號；頻率量信號；此外系統還具有RS-485接口，以便能夠與現場具有485接口的智能儀表相連接。為了實現良好的人機交互，系統擴展了鍵盤輸入，液晶顯示，實時時鐘以及現場故障報警指示電路等模塊。系統總體框圖如圖1所示。
1.1 電源模塊電路設計
在單片機數據采集系統中，電源的設計是非常關鍵的。本儀表設計采用電網和充電電池雙電源供電。電源設計如圖2所示。
當電網電壓正常時，220V交流電經過24V穩壓電源，電解電容器C1濾波后的電壓經二極管D1后分成兩路，一路通過三極管Q1到7805三端穩壓芯片，完成穩壓輸出+5V電壓，供單片機W77E58等芯片所需的電源；另一路通過電阻R1對鎳鎘電池9V進行充電，充電電流選擇約40mA。如果電網停電， C1放電為0V，這時，電池通過D2、Q1到7805向電路供電，使輸出端仍有+5V電壓，從而完成電網短時停電時，單片機后備電源的功能。
二極管D1起隔離作用，使得當電網偶爾停電時，能夠阻止電池電流流向24V穩壓電源。穩壓管D3（5.6V）的作用，是防止電池（+9V）過放電，即當電池放電下降到約6V時，因D3作用，三極管Q1截止，電池放電停止，此時單片機將停電。
1.2 實時時鐘芯片DS12887
為了能夠實時顯示系統時間以及實現按時間日期保存采集到的數據的功能，系統擴展了一片并行實時時鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導體公司推出的實時時鐘芯片，采用CMOS技術制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關電路集成于芯片內部。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩定可靠等優點，在現代工業控制及智能儀器儀表中有著廣泛的用途。
1.3 鍵盤接口電路
為便于人機交互，采用專用鍵盤接口芯片8279，配合74LS138譯碼器，系統擴展了3×8=24鍵的鍵盤。鍵盤上設置有0～9數字鍵，以便輸入各種信息。同時還設有各種控制按鍵。通過鍵盤能夠控制對各種類型數據進行采集。為提高CPU的效率，鍵盤采用中斷方式。
1.4 LCD液晶顯示模塊
LCD投影機按內部液晶板的片數可分為單片式和三片式兩種，現代液晶投影機大都采用3片式LCD板。三片式LCD投影機是用紅、綠、藍三塊液晶板分別作為紅、綠、藍三色光的控制層。光源發射出來的白色光經過鏡頭組后會聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來，投射到紅色液晶板上，液晶板“記錄”下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅色光信息。綠色光被投射到綠色液晶板上，形成圖像中的綠色光信息，同樣藍色光經藍色液晶板后生成圖像中的藍色光信息，三種顏色的光在棱鏡中會聚，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅全彩色圖像。三片式LCD投影機比單片式LCD投影機具有更高的圖像質量和更高的亮度。LCD投影機體積較小、重量較輕，制造工藝較簡單，亮度和對比度較高，分辨率適中，現在LCD投影機占有的市場份額約占總體市場份額的70%以上，是目前市場上占有率最高、應用最廣泛的投影機。
為便于實時顯示采集的數據及人機交互，系統擴展了圖文液晶顯示模塊MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精電公司生產的內置SED1520控制驅動器的LCD模塊，使用簡單方便。液晶顯示模塊MGLS-12032與W77E58的硬件接口
其中D0～D7與單片機的數據總線相連，A0、A1為單片機的P0口經74LS373地址鎖存器后產生的低兩位地址線，系統用74LS138譯碼器產生的Y5、Y6作為MGLS12032兩個控制驅動器工作的選通信號。
1.5 模擬信號采集電路
系統采用12位并行A／D轉換器MAX197對傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號進行采集。MAX197是美國Maxim公司推出的多量程（本系統采用0-5V量程）、8通道、12位快速A／D轉換器，采用逐次逼近工作方式，片內含有高精度的參考電壓源和時鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時鐘的情況下完成一切A／D轉換功能，應用非常方便。并且MAX197內部具有輸入跟蹤／采樣保持電路，其并行輸出口很容易與單片機連接，僅需外接幾個電容即可。
MAX197與單片機的典型接口電路如圖4所示。設計采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V電壓信號。而4-20mA電流信號則經過8選 1模擬開關CD4051輪流選通，再經靈敏電阻，放大器轉化為0-5V電壓信號后，進入MAX197的CH7通道進行模數轉換，從而系統可以采集8路電流信號。
1.6 開關量采集電路設計
系統通過一片8255芯片來擴展并行口。編程使8255的A口為輸入，用于采集8路開關信號。B口為輸出，用于8路開關量的輸出。為了增強系統抗干擾能力，開關量輸入／輸出通道都采用光電隔離。開關量采集電路圖略。
1.7 頻率信號測量電路設計
本系統利用8253芯片的定時器／計數器1和2對兩路待測脈沖個數進行記數，8253的定時器／計數器0用來定時，利用W77E58有多個中斷源的特性，定時結束產生中斷，在中斷服務程序中，讀取8253定時器／計數器1和2的當前記數值，通過計算便可得到待測頻率量。
頻率信號測量電路如圖5所示。其中D0-D7與W77E58數據總線相連，單片機P2口高三位經138譯碼器譯出的Y0與8253的CS引腳相連，用來選通8253芯片，8253的A0、A1直接與低二位地址線相連，因此8253的端口地址為1FFCH～1FFFH。
1.8 串行通訊設計
一條信息的各位數據被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數據位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。 根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為半雙工；信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工。 串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機中，主要使用異步通訊方式。
為了使設計的數據采集儀應用方便，系統利用PTR2000無線數據傳輸模塊與上位機進行通訊，以便能隨時響應控制中心的PC機的數據上傳命令，將采集到的數據實時上傳給控制中心。PTR2000是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發數據傳輸模塊。其通訊速率最高可達20Mbit／s，也可工作在其他速率，如4800bit／s、9600bit／s。系統無線數據傳輸原理圖如圖6所示。
PTR2000可直接與單片機的串口TXD、RXD相連接。PTR2000無線MODEM的DO和DI引腳分別連接單片機串口的RXD和TXD，這樣單片機就可以和無線數據傳輸模塊進行串行通信。由于上位機串口通常采用RS-232 電平，而單片機串口使用的是TTL電平，故PTR2000與上位機連接時必須將TTL電平轉換成RS-232電平，系統采用MAXM公司的MAX232芯片進行轉換。上位機用串口的RTS與PTR2000的TXEN連接來控制PTR2000無線收發模塊的收發狀態轉換。
2 系統軟件設計
系統軟件采用模塊化設計，主程序首先對各接口芯片進行初始化，然后分別調用各個子程序模塊以進入各個數據采集子系統，并將采集到的數據存儲在32K字節的串行E2PROM AT24C256中，以備控制中心查詢，同時將對應的數據在液晶顯示器上顯示。如果系統接收到上位機的數據上傳命令，就將存儲在E2PROM中的數據通過 PTR2000發送給PC機。系統主程序流程如圖7所示。
串口通信程序中雙方通信協議是至關重要的，這關系到無線數據傳輸的可靠性，本系統約定雙方的通信協議格式如下：串行通信使用單片機的內部定時器／計數器1 作為波特率發生器，本系統波特率設定為4800 bit／s；幀格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗；通信采用中斷方式；上位機采用COM 1通信。當接收到上位機的命令后，中斷服務程序將數據從單片機數據緩沖區取出，同時將模塊的接收狀態切換為發射狀態，轉換過程所需時間約5ms，然后將這些數據以FSK的調制形式發射出去， PTR2000模塊隨后恢復為接收狀態。如果數據在傳輸的過程中有數據丟失，上位機將要求單片機系統重新發送數據，直到數據全部正確為止，串行中斷服務程序如圖8所示。
3 結束語
本文利用8位單片機設計的通用數據采集系統，可以作為工業現場的遠程監控終端來使用，也可以方便的設計成便攜式智能數據采集和通訊儀表，由于數據傳輸采用了無線方式，使其能夠非常廣泛的應用于工業上需要數據采集的場合，具有比較高的實際應用價值，給未來創新打下基礎。