CN105739384A - 一种基于微处理器的分布式数据采集装置 - Google Patents

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胡婷
成帅
叶晓涵
程文胜
叶嘉成
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Abstract

本发明公开了一种基于微处理器的分布式数据采集装置，包括多个分布式前置工作站，RS232总线以及与PC机相连的模拟多路开关控制单元；分布式前置工作站由信号调理电路、设有多通道A/D转换器的微处理器以及RS232通信接口组成，模拟多路开关控制单元包括通信接口扩展电路、微处理器和RS232通信接口。该数据采集装置可实现多通道数据同步实时获取，采用分布式结构，通过多个工作站的协调组成数据检测网络，系统布局灵活同时有效避免了资源的浪费，通道扩展简便，并且在通道数很多的情况下也具有很高的可靠性和良好的数据实时性，成本低廉，低功耗性能好，能够满足实际应用的要求。

Description

一种基于微处理器的分布式数据采集装置
技术领域
本发明涉及数据采集技术，具体涉及一种基于微处理器的分布式数据采集装置。
背景技术
目前，在工业生产和许多其他场合中，考虑到产品质量、设备性能等问题，通常都需要对现场的一些参数进行监测，数据采集在这一过程中必不可少。应用数据采集装置可以实时地获取被测对象的瞬时信息，能够有效地监控被测对象的变化，反映出设备故障情况或产品性能影响因素等，有利于观察者针对现场情况进行合理安排。因此，数据采集装置具有越来越广泛的应用领域，为人类有效地获取各种信息提供便利条件。
然而，传统的数据采集装置，通常是对仪表设置一对一的采集设备，采集的所有信息通过一个采集卡上传至PC机，但由于仪表的安装位置分散，这样的采集装置不仅造成了资源的浪费，大量的长距离引线也使得系统的安全性降低，同时，采集卡的价格昂贵、接插不便，难以进行通道的扩充。即使存在一些分布式设计的数据采集装置，也大多由于各种各样的问题导致其无法得到广泛应用，如系统配置复杂、价格昂贵、性能不稳定、容易引入干扰导致误差过大以及通道扩充存在问题等等。为此，有必要发明一种性能可靠且设计简单、价格低廉的分布式数据采集装置，以解决现有数据采集装置存在的诸多问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：传统的数据采集装置安装位置分散，造成资源浪费，系统安全性低，采集卡价格昂贵接插不便，难以进行通道扩充的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于微处理器的分布式数据采集装置，包括PC机、模拟多路开关控制单元、RS232总线和n个分布式前置工作站；
每个分布式前置工作站均包括一个微处理器，一个RS232通信接口和m个信号调理电路；所述m个信号调理电路通过多通道A/D转换器与所述微处理器连接，所述m个信号调理电路与采样传感器之间一一对应电连接，所述RS232通信接口与所述微处理器的UART接口连接；
所述模拟多路开关控制单元包括一个通信接口扩展电路，一个微处理器，n个RS232通信接口和一个输出RS232通信接口；所述通信接口扩展电路与n个RS232通信接口一一对应双向连接；
所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接，所述模拟多路开关控制单元的输出RS232通信接口与所述PC机之间通过所述RS232总线单向连接；其中n、m均为正整数。
优选的，所述微处理器采用单片机MSP430F149，所述A/D转换器采用所述单片机内部12位8通道A/D转换器。
优选的，所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接成树状结构。
优选的，所述通信接口扩展电路采用74LS138和74LS151芯片模拟多路双向选择开关。
进一步优选的，所述RS232通信接口采用MAX3232芯片。
本发明工作流程如下：信号调理电路接收到采样传感器的信号后，对信号进行预处理，包括I/V转换、电压放大、零点抵消以及信号滤波等，使得处理后信号能够满足A/D转换器输入要求，同时尽量抑制误差产生；在分布式前置工作站中，A/D转换器能同时采集多路采样传感器信号并送至微处理器进行相关数据处理，模拟多路开关控制单元控制每通道数据的定时采集，同时实现多通道选择采样，即控制采集数据的通道数，可设定只采集某一部分工作站某一部分通道数据。当接收到模拟多路开关控制单元的发送数据标志时，处理后数据即可通过RS232总线发送至PC机。
本发明的有益效果：性能可靠设计简单，价格低廉，方便通道扩充；支持数据通道的两层扩展，能够实现模拟多路开关控制单元内的数据检错和重新接收，以及每通道数据的定时采集和多通道数据的选择采样，实现多通道数据同步实时获取，能够控制采集数据的通道数。分布式前置工作站可检测多个待测点的传感器数据，采用分布式结构，通过多个工作站的协调组成数据检测网络，系统布局灵活同时有效避免了资源的浪费；通道扩展操作简便，并且在通道数很多的情况下也具有很高的可靠性和良好的数据实时性，成本低廉，低功耗性能好，能够满足实际应用的要求。
附图说明
图1为系统整体结构框图；
图2为模拟多路开关控制单元内通信接口扩展电路图；
图3为模拟多路开关控制单元工作流程图。
具体实施方式
通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。
如图1所示，本实施例采用如下技术方案：一种基于微处理器的分布式数据采集装置，包括PC机、模拟多路开关控制单元、RS232总线和n个分布式前置工作站；
每个分布式前置工作站均包括一个微处理器，一个RS232通信接口和m个信号调理电路；所述m个信号调理电路通过多通道A/D转换器与所述微处理器连接，所述m个信号调理电路与采样传感器之间一一对应电连接，所述RS232通信接口与所述微处理器的UART接口连接；
所述模拟多路开关控制单元包括一个通信接口扩展电路，一个微处理器，n个RS232通信接口和一个输出RS232通信接口；所述通信接口扩展电路与n个RS232通信接口一一对应双向连接；
所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接，所述模拟多路开关控制单元的输出RS232通信接口与所述PC机之间通过所述RS232总线单向连接；其中n、m均为正整数。
所述微处理器采用单片机MSP430F149，所述A/D转换器采用所述单片机内部12位8通道A/D转换器。
所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接成树状结构。
所述通信接口扩展电路采用74LS138和74LS151芯片模拟多路双向选择开关。
所述RS232通信接口采用MAX3232芯片。
微处理器采用MSP430F149，该单片机具有丰富的外设功能，在本实施例中用到了ADC_12和USART，ADC_12为12位8通道A/D转换器，芯片内部程序控制A/D转换参数，不改变设置的情况下一个分布式前置工作站至多可采集8通道传感器数据，但由于MSP430F149芯片I/O口控制灵活，可简单地通过外接A/D转换器实现分布式前置工作站的数据通道扩展；USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块，通过编程将该模块配置成异步模式使用，配合装置中的RS232通信接口以实现RS232串行通信。由于MSP430F149属于超低功耗单片机系列，本装置中适当地利用该芯片的低功耗工作模式，能够有效降低系统功耗。
实施例中A/D转换器采用单片机内部12位8通道A/D转换器，该数据采集装置的串行通信使用单片机内部异步收发传输器实现。
该数据采集装置有多个分布式前置工作站，且每个分布式前置工作站具有多个数据采集通路，多个数据采集通路与A/D转换器多个采样通道一一对应连接，多个分布式前置工作站的RS232通信接口与模拟多路开关控制单元提供的多个扩展RS232通信接口之间通过RS232总线一一对应双向连接，构成树状结构。
如图2所示，模拟多路开关控制单元中的通信接口扩展电路采用74LS138和74LS151芯片模拟多路双向选择开关，微处理器提供选择信号以控制通信时序。此处提供4个扩展的通信接口，采用74LS138和74LS151芯片模拟双向选择开关。由74LS138芯片作输出方向选择开关，由于74LS138芯片为3-8线译码器，将其STA端口接高电平，则将会在端口数为输入值的输出端口处产生低电平输出，此低电平标志可视为发送数据标志，当分布式前置工作站接收到此标志时，则开始传送数据，传送的数据经由74LS151芯片做出选择，75LS151芯片为输入方向选择开关，其输出信号将与端口数为选择信号值的输入端口处信号相同，若当前数据被选择，则可以成功发送。
如图3所示，通信接口扩展电路中两芯片接收相同的选择信号输入，选择信号即为相应分布式前置工作站的编号，选择信号的改变可以控制各分布式前置工作站间的数据传输权切换，系统正常工作时，当某一前置工作站当前占据数据传输权，可以被允许发送数据，同时模拟开关控制单元可以接受到该数据并根据数据编号位检错，编号位错误则丢弃该数据，编号位无误则发往PC机，此分布式多路数据采集装置正是基于这一方法实现的。
在模拟多路开关控制单元中，微处理器发送选择信号至通信接口扩展电路，只需控制该选择信号的变化范围和变化周期，则可以实现控制每通道数据的定时采集和多通道数据的选择采样，即能够控制采集数据的通道数，可设定只采集某一部分工作站某一部分通道数据。
通过模拟多路开关控制单元能够实现分布式前置工作站的扩充，通过分布式前置工作站也能实现数据通道的扩展，操作简便，同时在通道数很多的情况下也能保持较高的可靠性。
串行通信模块采用MAX3232芯片，以提供RS232通信接口，RS232通信接口采用MAX3232芯片实现，该芯片采用3.3V电压供电，与微处理器供电电压一致，故可接同一电源，使电路得以简化。

Claims (5)

1.一种基于微处理器的分布式数据采集装置，其特征在于：包括PC机、模拟多路开关控制单元、RS232总线和n个分布式前置工作站；
每个分布式前置工作站均包括一个微处理器，一个RS232通信接口和m个信号调理电路；所述m个信号调理电路通过多通道A/D转换器与所述微处理器连接，所述m个信号调理电路与采样传感器之间一一对应电连接，所述RS232通信接口与所述微处理器的UART接口连接；
所述模拟多路开关控制单元包括一个通信接口扩展电路，一个微处理器，n个RS232通信接口和一个输出RS232通信接口；所述通信接口扩展电路与n个RS232通信接口一一对应双向连接；
所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接，所述模拟多路开关控制单元的输出RS232通信接口与所述PC机之间通过所述RS232总线单向连接；其中n、m均为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于微处理器的分布式数据采集装置，其特征在于：所述微处理器采用单片机MSP430F149，所述A/D转换器采用所述单片机内部12位8通道A/D转换器。
3.根据权利要求1所述的基于微处理器的分布式数据采集装置，其特征在于：所述n个分布式前置工作站的RS232通信接口与所述模拟多路开关控制单元的n个RS232通信接口通过所述RS232总线一一对应双向连接成树状结构。
4.根据权利要求1所述的基于微处理器的分布式数据采集装置，其特征在于：所述通信接口扩展电路采用74LS138和74LS151芯片模拟多路双向选择开关。
5.根据权利要求1所述的基于微处理器的分布式数据采集装置，其特征在于：所述RS232通信接口采用MAX3232芯片。
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