1 绪论
1.1 问题提出的背景
数据采集技术是信息科学的一个重要分支，与传感器技术、信号处理技术、计算机技术共同组成了现代检测技术的基础。数据采集技术正是这些技术的前端，也是信息进行可靠传输和正确处理的基础。数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。在生产过程中，可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段。在科学实验中，可对应用数据进行采集，从而获得大量的动态信息。这是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。
数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机。它将计算得到的数据进行规定要求的处理，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，应尽可能的提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。
数据采集常用的方式有在PC机或工控机内安装数据采集卡，如A/D卡及RS-422卡、RS-485卡；或专门的采集设备，包括PCI、PXI、PCMCIA、USB，无线以及火线(FireWire)接口等，可用于台式PC机、便携式电脑以及联网的应用系统中。
随着现代电子技术的飞速发展，数据采集技术也日新月异，特别是小型化、便携式解决方案在数据采集中开始占据越来越多的比重，并越来越多地倾向于低电压、低功耗、微型化设计，有的小型数据采集器甚至小到可以放进衬衫口袋里。目前，一些市场上出售的小型数据采集器实际上就是全功能的计算机。它们功能强大，具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，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；为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，并能方便输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。因此，根据当前数据采集发展的实际情况，研制开发符合生产需要的多功能智能化的数据采集器具有重大的现实意义。
1.2 本次设计的数据采集控制板的主要功能和特点
本次研发的数据采集系统是基于增强型51内核单片机SST89E516RD2设计的，51内核单片机兼容性好，可以根据需要更换其他品牌的单片机，如STC89系列等。该数据
采集系统利用上位机串口进行数据传送和下位机控制，系统的主要特点是，极具实用性，保护电路完备，使用方便，功能多，性价比高。根据实际测控需要设计如下接口： 1. USB供电口，5V稳压电路，电机电源 2. 11通道的8-12位数据采集接口 3. 1通道的10位模拟量控制接口 4. 8通道的数字量输出控制接口 5. 8通道的TTL输入控制接口
6. 一个蜂鸣器报警电路 可扩展为PWM输出 7. LCD1602显示，可扩展出PWM输出
8. 隔离的L298N电机驱动2路，可以驱动2个30W的直流电机 9. 4个分压独立按键 10. 3个通用UART串口 11. 定时器输入捕获扩展接口
2 多功能数据采集控制板的整体结构及芯片选型
多功能数据采集控制板主要由微控制器、数字量输入输出器件、模拟量输入输出器件、串口通讯模块、直流电机驱动模块、液晶显示及按钮输入模块、电源模块组成。整板实物图如图2-1所示，系统结构图如图2-2所示。
图2-1 数据采集板卡实物图
图2-2 系统结构图
2.1 微控制器选型方案
对于中低速数据采集系统，业界普遍采用8位单片机设计，介于51内核单片机已经在中国风行数十年，业界认可率高，增强型51不论在速度还是功能上都已经满足了设计需要，同时考虑到此次数据采集系统对PWM电机控制和大存储容量的需求，我们选用了SST89E516RD2增强型51单片机，它的特点如下：
1. 片内用户程序空间可达 72K. ，数据空间1K，主频可达40M，支持6T时钟倍速，内置硬件看门狗。
2. 片内 EEPROM数据存储容量可超 64K。 3. 5个通道的硬件 PWM信号输出。 4. 1个 SPI串口。
5. 内嵌电压检测电路,节省外部的电源管理及复位芯片。
6. 在片仿真功能,SOFTICE功能,让开发工程师省掉仿真器,并弥补了专用仿真器不能仿真扩展功能,接触不良,编程不能运行,价格昂贵的缺陷。 7. 在线编程功能.EASYIAP工具软件,让开发工程师省掉编程器。
8. 程序和数据存储空间互补利用,用户程序剩下的 FLASH空间,均可作为数据存储，使用灵活。
9. 三个 16位定时器 /计数器， 全双工增强型 UART ，9个中断源，四个中断优先级。 SST89E516RD2功能框图如下：
图2-3 SST89E516RD2单片机结构
2.2 模拟量输入采集接口结构方案
数据采集系统对采样精度和采样稳定性及多通道的需求，我们采用的是TLC2543I专用数据采集芯片，大多数传感器的模拟量输出电压最大为5V，因此在数据采集通道设计上不采用降压调理电路。为了确保芯片工作的稳定性，我们对其参考电压进行了电容稳压滤波，接口电路设计上我们用单片机的IO口控制芯片的通道选择和转换启停。由于TLC2543I模数转换器采用串行接口控制，大大节约了单片机的引脚资源，为其它板载功能的实现提供了硬件基础，以下是TLC2543I的主要性能指标： 1. 可调的8-12位采样精度
2. 在规定工作温度范围内转换时间10us 3. 11个分时采集模拟量输入通道 4. 固有的采样和保持特性 5. 线性误差 MAX=正负1LSB 6. 可编程LSB/MSB输出 7. 片内系统时钟
8. 可选择的有符号数据输出 9. 针接口针脚定义
2.3 通讯模块结构方案
RS-232是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的,命名
为EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-232标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议 。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯。
收、发端的数据信号是相对于信号地，典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5～+15V,负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的,其驱动器负载为3～7kΩ,所以RS-232适合本地设备之间的通信。 通常在做测控试验的时候，我们只需要利用单片机原先的串口进行MAX232电平转换后就可以进行与上位机的数据通信，但是在有的时候，需要多台上位机共享一个测控平台，或者利用测控平台的串口与其他测试仪器通讯，因此有必要将原先的一个串口进行扩展。为此系统设计选择了GM8123通用串口扩展芯片，GM8123可以将一个全双工的标准串口扩展成3个标准串口，并能通过外部引脚控制串口扩展模式：单通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。该芯片工作在多通道模式下时，子串口能主动响应从机发送的数据，并由母串口发送给主机，同时返回子串口地址。该模式使每个从机的发送要求都能被及时地响应，即使所有从机同时有发送要求，数据也不会丢失，基本实现了主控单元和外设通讯的实时性。该芯片母串口和子串口的工作波特率可由软件调节，而不需要修改外部电路和晶振频率。该芯片的外部控制少，应用灵活，编程使用简单，适用于大多数有串口扩展需求的系统。
2.4 直流电机驱动模块方案
在进行小家电，教育机器人等产品开发的过程中，经常会用到小功率直流电机，进而根据产品需要测试直流电机的最佳运行电压电流参数，速度参数显得及其重要，考虑到测试过程中对调速，正反转，电压电流传感器，速度测试的需要，系统设计采用了L298N功率H桥驱动芯片，配合单片机的IO控制和PWM硬件输出进行电机调速和正
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