基于RS232的8位数据采集系统设计论文

题目:基于RS-232的8位数据采集系统【摘要】以AT89C2051单片机为核心，采用串行A/D转换器，设计一个串行数据采集/传输模块。系统对模拟信号进行现场同步检测信号，经过滤波处理，输入到多路开关，用锁存器和译码器进行地址锁存和译码。经过模数转换器后，送入单片机。为使传输的距离增长，提高信号的准确性，采用基于RS-232的芯片，然后再与PC机相连。【关键词】AD转换 数据采集【Abstract】To AT89C2051 as the core, using the Serial A / D converters. Design a serial data collection / transmission module. Analog signal system on-site synchronous detection signal after amplification and filtering, multi-channel input to the switch, with latches and decoder for decoding and address latches. After Analog to Digital, into the MCU. To enable the transmission distance growth, and improving the accuracy of signals, based on the RS-232 chip. then connected with the PC.【Key Words】AD converter Data Acquisition 24目录1 概述12 电路工作原理及说明 22.1 电路工作原理22.2 原理框图33 信号调理和数据采集各部分电路及元器件介绍 431 信号调理电路432 数据采集电路5321 数据采集保持电路5322 多路模拟开关74 AD转换部分电路及元器件介绍94.1 AD转换器ADC080994.1.1 A/D转换器的选取94.1.2 ADC0809内部功能与引脚介绍104.1.3 ADC0809的时序逻辑124.2 AT89C2051芯片134.2.1 AT89C2051的概括功能144.2.2 AT89C2051的结构154.2.3 AT89C2051的引脚说明154.2.4 AT89C2051的振荡器和专用寄存器特性175 通信电路及元器件介绍175.1 MAX232芯片175.2 RS-232接口标准19 5.2.1 RS-232串行接口标准205.2.2 RS-232的电气特性206 基于RS-232的8位数据采集系统电路图及其原理说明217 总结228 参考文献22 1 概述数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集器是一种具有实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。本文主要介绍了数据采集系统的最新发展、系统并行串行总线接口、系统通信的新技术、国内外常用的数据采集器及不同采集器的特点和存在的问题。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。 随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。 此外，计算机的发展对通信起了巨大的推动作用.计算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。数据通信是计算机广泛应用的必然产物。数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。 数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。由于RS-232在微机通信接口中广泛采用，技术已相当成熟。在近端与远端通信过程中，采用串行RS-232标准，实现PC机与单片机间的数据传输。在毕业设计中对多路数据采集系统作了基本的研究。本系统主要解决的是怎样进行数据采集以及怎样进行多路的数据采集，并将数据上传至计算机。2 电路工作原理及说明2.1 电路工作原理（叙述框图的原理）本课题要求以单片机为控制器，在接受到上位机的命令后，对2通道模拟信号作数据采集并进行8位转换，采集到的数据以中断方式接入内存，并送到上位机，进行处理。由于信号比较多，计算机不可能把这些信号同时接收，因此需要由多路开关进行通道转换，分时地把信号送到采样/保持器（S/H）、A/D转换器，把模拟量转换成数字量，然后送到计算机。智能化A/D板中，单片机完成数据的采集、滤波和非线性补偿等，主计算机只将其作为一个I/O口，每隔一定的时间，读其一次数据，因而大大减轻了主机的负担，提高了系统的扩展能力。这样的智能化A/D板自身就是一个小的数据采集系统。模拟量输入通道的主要任务就是把被测参数进行采集，并转换成数字量，以便使用微型机进行处理、显示或打印。完成这一任务的核心部件是A/D转换器。在选择系统结构时，必须认真考虑以下问题：参数变化的速率、分辨率、精度和参数的通道数等，根据系统的不同要求，选择不同的结构形式。单通道的转换比较简单，主要视其变化速度决定是否需要采样/保持器，并根据所要求的分辨率及精度选择合适位数的A/D转换。多通道的数据转换系统则根据不同的要求，采用不同的结构形式。正个系统受AT89C2051芯片的控制，定时器用来产生定时信号，因为一般模拟信号的采集都是每隔一段时间进行的，利用AT89C2051的片内定时/计数器配合，用相应的软件就可以完成该功能。外扩的ROM是用来存放用户程序，也就是系统的控制程序。串行通信，所传送的各位按顺序一位一位地发送或接收。在串行通信仅需一到两根传输线即可。异步方式，串行通信的数据或字符是分为一帧一帧地传送地，在异步通信中，一帧数据先用一个起始位“0”表示字符地开始，然后是5到8位数据即该字符地代码，规定低位在前，高位在后，最后一个停止位“1”表示字符地结束。由于异步通信每传送一帧有固定格式，通信双方只需按约定的帧格式来发送和接收数据，还能利用校验位检测错误。通过对地址的选择，对不同的地址，地址开关选通不同的模块，从而达到分布式数据采集。2.2 原理框图3 信号调理和数据采集各部分电路及元器件介绍 数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。 本个课题研究的是以AT89C2051为核心，采用串行A/D转换器，设计一个串行数据采集/传输模块。这个模块有以下几个重要电路组成：信号调理电路，多路开关，采样保持电路，串行A/D转换电路，串口通信电路这几个重要部分组成。31 信号调理电路 信号调理的任务 将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。对于多通道数据采集系统的输入通道，设置多路选择开关，可降低硬件开销。如图2所示。为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号过小时，每个通道应设前置放大环节（本课题可不加以考虑）。32 数据采集电路把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。321 数据采集保持电路我们在这里为了简便将使用芯片LF398来实现数据采集保持。LF398集成电路：它具有采样和保持功能，它是一种模拟信号储存器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图3是该器件的顶视图。各引脚端的功能是：和端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为正负5V正负15V。端为失调调零端。当输入Vi=0,且在逻辑输入为1采样时，可调节（2）端使Vo=0。端为模拟量输出端。端为输出端。端为采样保持电容CH端。端为逻辑基准端（接地）。端为逻辑输入控制端。该端电平为1时采样，为0时保持。LF398内部电路结构原理和典型电路如图4和图5所示。当8端为“1”电平时，使LF398的内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，所以，Vo=Vi，并使CH迅速充电到Vo =Vi，并使CH迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。当8端为“0”电平时，内部开关断，输出电压Vo。值为控制端8由“1”跳到“0”时CH上保持的电压，以实现保持目的。端8的逻辑输入又次为“1”、再次采样时，输出电压跟随变化。322 多路模拟开关多路模拟开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，从而达到分时进行多通道检测的目的。理想的多路开关其开路电阻无穷大，而接通时的导通电阻为零。此外，还需要切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。 常用的多路开关机械触点式多路开关：这类开关主要有干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器等。其特点是：断开电阻大，导通电阻小，寿命长，输入电压，电流容量大，动态范围宽。主要缺点是：体积大，切换频率低，在通断时存在抖动现象。因此一般用于低速、高精度检测系统中。模拟集成多路开关：模拟集成开关是指在一个单片上包含多路开关。其中采用CMOS工艺的模拟开关最为广泛。其特点是切换速度快，无抖动。但其导通电阻较大，输入电压、电流容量较小，动态范围有限，常用于高速且系统体积小的场合。 选择多路开关时要考虑的参数泄露电流：如果信号源内阻很大，传输的是电流量，此时就更多考虑多路开关的泄露电流，一般希望泄露电流越小越好。切换速度：对于需要传输快速信号的场合，就要求多路开关的切换速度高。同时要考虑其后级采样保持电路和A/D的速度，开关切换速度只需大于它们的速度即可。开关电阻：断开电阻尽可能大，导通电阻应远小于负载电阻。否则会使信号衰减。在进行精密数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性，因为如果性能稳定，即使开关导通电阻较大，也可以采取补偿措施来消除影响。但如果阻值和漏电流等漂移很大，将会大大影响测量精度。由于模拟开关在接通时有一定的导通电阻，在某些情况下，可能会对信号的传递精度带来较大的影响。作为一种补救，一般应尽可能使负载阻抗大一些，必要时可在负载前加缓冲器。另外，为了防止两个通道在切换瞬间同时导通情况（多选开关），往往在某一通道断开到后一通道闭合之间加一延时。当然，这会影响到模拟开关的切换速度。多路模拟开关地典型应用是与采样保持器和A/D转换器配合，构成多路数据采集通道。多路模拟开关的设计：在此课题设计中我们用到的多路模拟开关是CD4051。如图6所示，CD4051由逻辑转换电路、地址译码电路和CMOS开关等三部分组成，其中S引脚为选通端，只有当S为低电平时，才能选中某一通道，时开关接通。A2A0是开关通道输入端，当A2A0输入000111时，分别对应07通道上的开关处于闭合状态。通常，S和A2A0信号由接在CPU数据总线上的一个锁存器提供，这样就可以用输出指令实现通道选择，S端和A2A0引脚均要求输入TTL电平信号，而各个CMOS开关则要求用CMOS电平控制，逻辑电平控制，逻辑电平转换电路完成TTL电平到CMOS电平的转换，8个I/O引脚I/00I/07可以作为输入端，这时O/I引脚便作为输出端，开关实现8到1的选择功能。由于COMS开关可以双向工作，即信号也允许从O/I引脚输入，根据需要，从8个I/O引脚从的某一个输出，实现18的分配功能。该片子有3个电源引脚，其中，Vss通常与系统模拟地相连，Vdd接正电压，Vee接负电压或地。 323 74LS373锁存器的工作原理及功能作用74LS373芯片介绍：74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。373为三态输出的8 D透明锁存器, 373的输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 引脚说明如下： D0D7：锁存器8位数据输入线 Q0Q7：锁存器8位数据输出线 GND：接地引脚 Vcc：电源引脚，5V有效 OE ：片选信号引脚 G：锁存控制信号输入引脚。4 AD转换部分电路及元器件介绍4.1 AD转换器ADC08094.1.1 A/D转换器的选取 转换时间的选择转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。 ADC位数的选择A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。 要求精度为0.5%。对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为：输入为05V时，分辨率为：A/D转换器的满量程值； ADC的二进制位数量化误差为：ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。 采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即 由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。 量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成。4.1.2 ADC0809内部功能与引脚介绍分辨率和精度在第一部分中已作了相应的计算和分析。ADC0809八位逐次逼近式AD转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图7所示。.ADC0809主要性能u 逐次比较型u CMOS工艺制造u 单电源供电u 无需零点和满刻度调整u 具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容u 易与各种微控制器接口u 具有锁存控制的8路模拟开关u 分辨率：8位u 功耗：15mWu 最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）u 转换时间（）128usu 转换精度：u ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。典型时钟频率为640kHz引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图8所示。各引脚的功能如下：IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压。D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。ADC0809芯片的转换速度在最高时钟频率下为100us左右，速度低，故可以在和CPU接口时要求采用查询方式或中断方式。A/D转换器一般总是和取样保持电路一起使用，如LF398采样保持器：单片的模拟集成电路。采样所得的模拟信号也在同一芯片中保存。也是暂存，所以A/D转换器一般不需要数据锁存器了。系统中CPU对A/D转换板的主要操作为：多通道选择命令、启动A/D转换命令、判断A/D转换是否完成、读A/D转换结果。这些操作是靠执行对不同端口地址的读/写命令来完成的。选定通道后，模拟量即为通过采样/保持器AD582的+LOGIC IN端，使AD582处于采样状态，其保持电容器CH上的电压随输入的模拟信号的变化而变化，即处于跟随状态。转换的启动：进行转换时，要由外部发出启动信号。逐次比较寄存器和比较器是ADC0809的核心。4.1.3 ADC0809的时序逻辑 如图9所示，启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址送上地址总线，模拟量经C、B、A选择开关所指定的通道送到A/D转换器。在START信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近。此时，转换结束信号EOC呈低电平状态。由于逐次逼近需要一定的过程，所以，在次期间内，模拟输入值应维持不变，比较器要一次次进行比较，直到转换结束。此时，如果计算机发出一输入允许命令（OE呈高电平），则可读出数据。ADC0809具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功能较低，且带有8路模拟开关，可以直接与微机系统相连，而不需要另加接口逻辑。也可以单独使用。所以用于过程控制是比较理想的器件。4.2 AT89C2051芯片它是一种内部含FLASH存储器的特殊单片机。所谓单片微型计算机，就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口电路都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。9系列单片机是ATMEL公司的8位FLASH单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有FLASH存储器，在便携式和省电、特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。ATMEL89系列单片机是以8031核构成的，所以，它和8051系列单片机是兼容的系列。89系列单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点：内部含有FLASH存储器： 因此在系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改，这就大大的缩短收发周期。同时，在系统工作过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。和80C51插座兼容： 89系列单片机的引脚是和80C51一样的，所以，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用40引脚亦或是44引脚的产品，只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。静态时钟方式 89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功能十分有用。错误编程也无废品产生 一般的OTP产品，一旦错误变成就成了废品。而89系列单片机内部用了FLASH存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。可进行反复系统试验 用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验：每次试验可以输入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。89系列单片机的内部结构和80C51相近：所含部件有：、8031CPU；、振荡电路；、总线控制部件；、中断控制部件；、片内FLASH存储器；、片内RAM；、并行I/O接口；、定时器；、串行I/O接口。其中在89系列单片机中，AT89C1051的FLASH存储器容量最小，只有1K，内部不含串行接口，RAM只有64GE 字节。4.2.1 AT89C2051的概括功能*和MCS-51产品的兼容*2K字节可重编程闪速存储器*耐久性：1000写/擦除周期*2.76V的操作范围*全静态操作：0HZ24MHZ*两级加密程序存储器*128*8位内部RAM*15根可编程I/O引线*两个16位定时器/计数器*六个中断源*可编程串行UART通道*直接LED驱动输出*片内模拟比较器*低功耗空载和掉电方式4.2.2 AT89C2051的结构AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器的低压，高性能CMOS 8位微型计算机，它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器，ATMEL AT89C2051是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。AT89C2051提供2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O引线，两个16位定时器/计数器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C2051上用可降到0频率的逻辑操作设计的并支持两种可选择的软件节电工作方式。一种是空闲方式：即停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器，串行口和中断系统继续工作；另一种是掉电方式，即保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位。4.2.3 AT89C2051的引脚说明AT89C1051的引脚如图10所示：VCC：电源电压。GND：地。P1口：P1是一8位双向I/O口，口引脚P1.2至P1.7提供内部上拉电阻，P1.0至P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AINO)和反向输入（AINI）。P1口输入缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2至P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1口还在闪速编程和程序校验期间接受代码数据。P3口：P3口的P3.0至P3.5,P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O引脚。P3.6用吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口引脚将因上拉电阻而流出电流（IIL）。P3口还用于实现AT89C2051的各种特殊功能。见表1： P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平变可完成复位。每一个机器周期需12个震荡器或时钟周期。XTAL1：作为震荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。XTAL2：作为震荡器反相放大器的输出。4.2.4 AT89C2051的振荡器和专用寄存器特性XTAL1和XTAL2分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如图11所示。可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成振荡器。要从外部时钟源驱动AT89C2051，则XTAL2应浮空，而XTAL1的驱动如图12所示。由于输入到内部时钟电路是经过一个二分频触发器的，故不需要对外部时钟信号的工作周期提出特别要求，但它必须遵守最小和最大电压高低电平的时间规范。其次，专用功能寄存器（SFR），不是存储区中所有的地址单元都被占用，未占用的地址单元不能采用，如果对其执行读访问一般会返回随机数据，写访问也是不确定的。由于在将来的产品中可能利用未占用的单元来产生一些新功能，故用户软件不应对写入“1”，在这种情况下，新位的复位或不激活值总是0。 5 通信电路及元器件介绍5.1 MAX232芯片51单片机有一个全双工的串行口，所以单片机和PC之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通信时要满足一定的条件，如PC的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，这里用专用芯片MAX232进行转换，用专用芯片更简单可靠。MAX232如图13所示。它包含两路接收器和驱动器，内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电压变换位RS-232输出电平所需的+10V电压。所以，用该芯片接口的串行通信只需单一的+5V电源就可以了。其应用性更强。图13（b）中上半部电容、及，是电源变换部分。实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，对地需要加去耦电容，其值为1.0uF。电容、取同样数值的电解电容，以提高抗干扰能力。图13（b）下半部分为发送和接收部分，可直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行发送端TXD；,可直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行接受端RXD；，可直接接PC机的RS-232串口接受端RXD；,可直接接PC机的RS-232串口发送端TXD。硬件原理图如图14所示。串口通信的硬件连接采用三线制连接串口，就是说和PC的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对本题来说已经足够了，MAX232的第11脚和单片机的11号引脚连接，第12脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。MAX232的第14脚和PC机串口的2号引脚连接，第13脚和PC机串口的3号引脚连接，第15脚和PC机串口的5号引脚连接。5.2 RS-232接口标准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，RS-232在1962年发布，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-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。 RS-232、RS-422与RS-485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。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。5.2.1 RS-232串行接口标准 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，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平。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37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。5.2.2 RS-232的电气特性EIA-RS-232对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD数据上：逻辑1（MARK）=-315V逻辑0（SPACE）=+3-15V在RST、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+315V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3-15V以上规定说明了RS-232标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的低电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的低电平-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3V+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在正负（515）V之间。EIA-RS-232与TTL转换：很明显，EIA-RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片6 基于RS-232的8位数据采集系统电路图及其原理说明 电路图如图15所示，主要组成器件有AT89C2051、ADC0809、地址锁存器74LS373、采样保持器LF398、MAX232、多路开关CD4051。其中AT89C2051、ADC0809、MAX232构成了一个基本的单元微机系统。图15中的8位的基于RS232的数据采集系统对8路模拟信号进行采集，现场检测信号，模数转换器用分辨率为8位的ADC0809。采样/保持电路为ADC0809提供低噪声、稳定、真实的信号源。AT89C2051通过P1口的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7与ADC0809芯片接口相连。芯片内部有上拉电阻，带负载能力较强。系统采用串口P3.0（RXD）、P3.1（TXD）把信号输到上拉机，串行信号通过MAX232芯片作电平转换后，成为RS-232口，通过该口与上拉机进行通信，接收上拉机的指令，并将A/D转换结果传输给上拉机。在ADC0809转换完成后，要求单片机提供时钟信号。单片机可以通过P1.4（TFS脚）。P1.2（SDATA脚）和P1.3（CLK脚）编程输出对其进行设置。由于从AT89C2051串行口输入RXD和输出TXD，均为TTL电平，用TTL电平传播，输出距离短，故要使传输的距离增大，提高信号的准确性，则需加MAX232芯片，然后再由于PC机相连。从逻辑电路可以看出：单片机工作时是其内部振荡电路加外接晶体震荡器产生时钟信号的，并且在这个时钟信号的同步下，执行程序及系统的控制工作。而8位的A/D转换器ADC0809的A/D转换过程是依赖外部振荡电路提供的时钟信号同步的。至于对哪一路输入的模拟信号进行转换，何时读取A/D转换，则是在AT89C2051的控制下执行。7 总结通过该分布式多路数据采集系统，由相同的模块电路和不同的开关地址选通不同的模块，实现对多路模拟信号的采集、转换、传送。但由于系统对采集速度和精度要求较低，故分析结果数据存在一定误差，采集量也不大，且只能实现异步数据采集。所以还需要进一步改进。数据采集系统是科学试验中经常用到的测量环节。通常由信号调理、A/D转换、数据存储、数据分析、显示等几个功能模块组成。随着计算机与数据终端的普及，数据通信在工业监控系统中得到广泛的应用，在生产过程中，利用串行通信，人们可以远离现场对计算机操作，能够方便地对现场进行数据采集、处理、存储、控制等工作。因此，利用上下位机的串行接口通信技术，实现现场数据的采集处理得到越来越多使用。8 参考文献卿太全等.常用数字集成电路原理与应用，人民邮电出版社，2006梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，1998余永权.ATMEL 89系列（MCS-51兼容）FLASH单片机原理及应用，电子工业出版社，1997贾金铃.微型计算机原理与接口技术课程设计指导，重庆大学出版社，2002何宗琦.微机总线和接口标准，微型计算机，1998高登芳.微型计算机实用测控接口技术，北京科学技术出版社，1990李力.基于单片机微机的多通道数据采集系统，计算机自动测量与控制，1998