在工業(yè)控制過程中，需要對(duì)被控制對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且根據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控以及遠(yuǎn)程的控制，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，對(duì)于控制的準(zhǔn)確性判斷以及控制的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性需求都很高，所以要有一種可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)，而且這種系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)多通道、高精度以及大容量的要求。從這個(gè)角度來看，基于單片機(jī)與PC 通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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　　1. 系統(tǒng)的基本組成

　　1. 1 系統(tǒng)的基本架構(gòu)

　　文中構(gòu)建的基于單片機(jī)與PC 通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1 所示：

圖1-系統(tǒng)基本架構(gòu)框圖

　　如圖1 所示，被控對(duì)象通過傳感器的作用，采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換之后，向單片機(jī)發(fā)送，單片機(jī)端可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的情況以及預(yù)先設(shè)置的程序，經(jīng)過繼電器向被控制對(duì)象進(jìn)行具體的操作，同時(shí)也可以通過電平轉(zhuǎn)換芯片向PC 機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。PC 機(jī)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，也可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來完善控制算法，然后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送控制信號(hào)，遠(yuǎn)程控制被控對(duì)象。

　　1. 2 系統(tǒng)硬件

　　此次研究中，對(duì)于系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要有幾個(gè)非常重要的模塊。首先是微處理器模塊，射頻收發(fā)模塊，這2 個(gè)是核心模塊，另外的傳感器模塊、天線和電源管理模塊也是硬件構(gòu)成中的重點(diǎn)。微處理器模塊采用的芯片是Atmega128L 低功耗微處理器，這種處理器主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行處理，而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗和任務(wù)進(jìn)行控制管理，射頻部分為了能夠有效進(jìn)行功耗的控制，所以采用的是比較節(jié)能的TI 的CC2420 芯片，這樣的設(shè)計(jì)使得FLASH 存儲(chǔ)對(duì)于低功耗產(chǎn)品的選擇也非常恰當(dāng)。

　　傳感器部分要根據(jù)不同需求進(jìn)行選擇，每種傳感器都有獨(dú)特的溫度、壓力和流量的傳感系統(tǒng)，所以對(duì)于一些非電量的信號(hào)，還得利用傳感器將其從電壓變換模塊轉(zhuǎn)化為整個(gè)模擬信號(hào)。

　　筆者在設(shè)計(jì)中，對(duì)于總體的成本和系統(tǒng)性能需求進(jìn)行了考慮，對(duì)于目前采用的節(jié)點(diǎn)中心設(shè)計(jì)，擬定了Atmega128L 單片機(jī)來完成。Atmega128L 單片機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)采集和處理的完成，能夠在很惡劣的環(huán)境下進(jìn)行，而且它還具備了非常強(qiáng)的節(jié)能能力，其功耗的參數(shù)也一樣，必須要在能夠滿足工作電壓1. 8 ~3. 6V、在2. 2V 的供電條件下能夠在7霢 的工作電流下穩(wěn)定運(yùn)行在32kHz 的工作頻率。而單片機(jī)以及PC 機(jī)之間經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片的連接，才能夠工作，依靠這種方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)采集被控制對(duì)象的多種參數(shù)信息，并且將其傳遞至 PC 機(jī)端，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)也能夠選擇通過PC 機(jī)來遠(yuǎn)程控制被控制對(duì)象。

　　此次構(gòu)件的系統(tǒng)射頻信號(hào)經(jīng)由天線向CC2420芯片傳輸。低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier，LNA） 在接收到相關(guān)的信號(hào)之后，將其轉(zhuǎn)化為2MHz中頻，使其形成同向分量以及正交分量兩路中頻信號(hào)。隨后，對(duì)這兩路中頻信號(hào)進(jìn)行濾波以及放大處理，再從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。然后對(duì)其進(jìn)行最終信道的選擇以及控制增益等處理。

　　為了確保存儲(chǔ)模塊部分能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求，不能夠僅僅依靠Atmega128L 內(nèi)部Flash 模塊，還需要串行一個(gè)外部Flash 模塊，并且借助該模塊類似實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)功能。具體地，可以借助于SPI 總線將外部Flash 模塊與Atmega128L 相連接。在具體的工作過程中，以Atmega128L 內(nèi)部存儲(chǔ)為主模式，而外部Flash 模塊AT45DB041B 為從模式。

　　A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，采用的是11 通道12 位高速的TLC2543 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片與單片機(jī)之間的通信是通過串口通信的方式來完成的，通過4 條信號(hào)線的連接就能夠?qū)崿F(xiàn)通信的需求。這4 條信號(hào)線分別是片選信號(hào)CS、時(shí)鐘信號(hào)CLK、數(shù)據(jù)移出Dout、數(shù)據(jù)移入Din.

　　在單片機(jī)的顯示裝置部分，此次設(shè)計(jì)采用的是4 個(gè)共陽數(shù)碼管，對(duì)于段選數(shù)據(jù)線以及單片機(jī)采用一組I /O 端口對(duì)其進(jìn)行連接，而對(duì)于位選數(shù)據(jù)線，則經(jīng)過ULN2003A 驅(qū)動(dòng)芯片和單片一組I /O 端口進(jìn)行連接。顯示控制部分，選用循環(huán)掃描的方式逐一點(diǎn)亮數(shù)碼管，然后進(jìn)行高速的切換，利用人體的視覺暫留特性，使其看上去是4 根共陽數(shù)碼管在同時(shí)穩(wěn)定地顯示。