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【摘要】设计了一种采样MCU级联技术的多路数据采集硬件系统，该数据采集硬件系统采用C8051F040作为采集控制芯片，通过多片C8051F040级联可以灵活扩展采集路数。该数据采集系统除了能够采集数字量以外，还能够采集信号的频率，经过内部算法的处理传给上位机进行显示。经过调试与测试，该数据采集系统运行稳定，基本达到了设计的要求。
【关键词】MCU技术；数据采集；单片机；级联
数据采集系统起始于20世纪50年代，数据采集系统[1]是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转化器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
本文设计了一种基于MCU级联技术的数据采集硬件系统，该数据采集系统采集的是开关量，此系统采用C8051F040作为采集芯片，对于C8051F040单片机而
言有64个I/O端口，通过多片C8051F040级联可以灵活扩展采集路数。这样的设计大大增加了系统的灵活性，可以满足大多数的应用，用户不必为采集路数不够用而担心。数据采集技术是一种流行且实用的电子技术，广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域[2]。随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。
1.数据采集系统功能与硬件总体设计
1.1 数据采集系统功能需求
数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统[3]。
数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印[4]，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进行某些物理量的控制。
基于MCU级联的数据采集系统主要实现两方面的功能：一方面通过单片机编程采集IO端口的高低电平即数字量，再经过单片机内部处理将数据打包通过串口的方式发送给上位机进行处理。上位机将传上来的数据进行拆包，将相应的高低电平转换为灯泡的亮与暗，实现一种实时监测的作用，可广泛用于报警、监控等设备中。另一方面利用单片机定时器的外部计数功能来采集信号频率，并打包发给上位机，上位机拆包进行文本显示。
1.2 硬件总体方案设计
该数据采集系统用C8051F040作为采集控制芯片，但是如果能构成一个完整的采集系统光有芯片是不够的，还要有外围电路，其中包括电源电路、晶振电路、复位电路、JTAG调试下载电路、串口通信电路和IO端口采集电路。图1.1是数据采集系统硬件的结构图。
图1.1 数据采集系统硬件结构图
2.数据采集硬件设计与实现
2.1 C8051F040控制芯片
Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机[5]，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节电所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32KB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达25MIPS，并且硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器[6]。
该数据采集系统采用C8051F040单片机作为采集控制器，通过两片MCU级联的方法来增加采集路数。C8051F040最大的优点就是IO端口数目多，一片C8051F040就有高达60路的IO端口[7]，而该设计通过两个C8051F040级联将采集路数提高到120路，这是本设计最大的亮点。这样该数据采集系统将符合大多数应用环境，也大大提高了该采集系统的广泛性和灵活性。
2.2 电源电路
图2.1是一个典型的电压转换和稳压电路，如果5V电源是从开关电源引出来的，那么肯定有很多的交流成分，因此必须先经过一个低通滤波器滤掉交流成分输入到稳压芯片AMS1117-3.3的输入端。电容的阻值越大滤掉的交流成分越多，因此一般都选uf级的电解电容来滤波。
图2.1 电源电路
AMS1117-3.3是一个集成稳压芯片，它可以将5V的稳压芯片变为3.3V以供单片机工作，因为C8051F040单片机要求的工作电压在2.7～3.6V。经过AMS1117-3.3输出的电压仍然会有交流和杂波，再经过电容滤波就可以得到芯片需要的数字电压了。
2.3 晶振电路
晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，为单片机指令的执行提供了基础。晶振提供的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。
晶振在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路， 由于晶振等效为电感的频率范围很窄所以即使其他元件的参数变化很大。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值。选择与负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容。 2.4 串口通信电路
图2.2是串口通信电路。由于普通的台式电脑的串口都是RS232电平协议的，而单片机的串口是TTL电平协议的，因此需要MAX232芯片将电平做一下转换。所谓RS232电平就是发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。
图2.2 串口通信电路
MAX232芯片是一款电压转换芯片，可以将RS232电平和TTL电平互相转换，符合所有RS-232C技术标准，只需要单一+5V电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。内部集成2个RS-232C驱动器，具有高集成度，片外最低只需4个电容级可工作[8]。
3.数据采集硬件调试
3.1 硬件调试过程
将单片机元器件按照PCB板焊接完成之后按照以下步骤完成了调试。
（1）检查电源电路，看是否给单片机供电，以及电压的幅值和稳定性。
（2）检查晶振电路，看是否正常起振，给单片机提供时钟。
（3）检查下载调试电路，将一个测试LED小程序下载到单片机中，并调试成功。
（4）将串口调试程序下载到单片机中，在PC串口助手中查看单片机串口是否工作正常。
3.2 数据采集系统硬件实物
C8051F040主控芯片加上外围电路，整个数据采集系统硬件部分就完成了。电源电路给芯片提供电源，晶振电路给芯片提供程序运行的时钟，复位电路可以使程序从头执行而不必上电复位，JTAG下载调试电路供编程调试下载时使用，串口通信是我们必不可少的，主要用于命令和数据的交互。图3.1是整个数据采集系统的硬件实物。
图3.1 系统硬件实物图
4.结束语
本文设计了一种基于MCU级联技术的数据采集硬件系统，该数据采集系统采用C8051F040单片机作为采集控制器，通过两个C8051F040级联将采集路数提高到120路，这样该数据采集系统将符合大多数应用环境，也大大提高了该采集系统的广泛性和灵活性。数据采集技术在自动测试、自动控制、通信、信号处理等领域得到广泛的应用。
参考文献
[1]祝常红.数据采集与处理技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表，2004，41（464）：4-8.
[3]孙伟超，尹德强，汪定国.基于C8051F040的环境数据采集系统设计[J].电子测量技术，2011，34（10）：91-95.
[4]于丽娜，秦丽.C8051F单片机信号采集系统[J].仪表技术与传感器，2011，7：53-55.
[5]Ya-fei Yin，Ting Liang，Yu Han.Design of Data Acquisition and Processing System of Photoionization Signal Based on C8051F040[A].2010 International Conference on Computer Application and System Modeling[C].Tai Yuan，2010：108-111.
[6]张培仁.C8051F040系列单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2013.
[7]谭秋林，马游春，翟成瑞.C8051F040在多路数据采集以及CAN传输中的应用[J].弹箭与制导学报，2006，26（1）：610-612.
[8]马斌，韩忠华，王长涛.单片机原理及应用——C语言程序设计与实现[M].北京：人民邮电出版社，2009.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：11273001）。
作者简介：张立立（1984—），女，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主要研究方向：无线传感器网络、嵌入式技术等。
【关键词】MCU技术；数据采集；单片机；级联
数据采集系统起始于20世纪50年代，数据采集系统[1]是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转化器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
本文设计了一种基于MCU级联技术的数据采集硬件系统，该数据采集系统采集的是开关量，此系统采用C8051F040作为采集芯片，对于C8051F040单片机而
言有64个I/O端口，通过多片C8051F040级联可以灵活扩展采集路数。这样的设计大大增加了系统的灵活性，可以满足大多数的应用，用户不必为采集路数不够用而担心。数据采集技术是一种流行且实用的电子技术，广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域[2]。随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。
1.数据采集系统功能与硬件总体设计
1.1 数据采集系统功能需求
数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统[3]。
数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印[4]，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进行某些物理量的控制。
基于MCU级联的数据采集系统主要实现两方面的功能：一方面通过单片机编程采集IO端口的高低电平即数字量，再经过单片机内部处理将数据打包通过串口的方式发送给上位机进行处理。上位机将传上来的数据进行拆包，将相应的高低电平转换为灯泡的亮与暗，实现一种实时监测的作用，可广泛用于报警、监控等设备中。另一方面利用单片机定时器的外部计数功能来采集信号频率，并打包发给上位机，上位机拆包进行文本显示。
1.2 硬件总体方案设计
该数据采集系统用C8051F040作为采集控制芯片，但是如果能构成一个完整的采集系统光有芯片是不够的，还要有外围电路，其中包括电源电路、晶振电路、复位电路、JTAG调试下载电路、串口通信电路和IO端口采集电路。图1.1是数据采集系统硬件的结构图。
图1.1 数据采集系统硬件结构图
2.数据采集硬件设计与实现
2.1 C8051F040控制芯片
Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机[5]，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节电所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32KB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达25MIPS，并且硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器[6]。
该数据采集系统采用C8051F040单片机作为采集控制器，通过两片MCU级联的方法来增加采集路数。C8051F040最大的优点就是IO端口数目多，一片C8051F040就有高达60路的IO端口[7]，而该设计通过两个C8051F040级联将采集路数提高到120路，这是本设计最大的亮点。这样该数据采集系统将符合大多数应用环境，也大大提高了该采集系统的广泛性和灵活性。
2.2 电源电路
图2.1是一个典型的电压转换和稳压电路，如果5V电源是从开关电源引出来的，那么肯定有很多的交流成分，因此必须先经过一个低通滤波器滤掉交流成分输入到稳压芯片AMS1117-3.3的输入端。电容的阻值越大滤掉的交流成分越多，因此一般都选uf级的电解电容来滤波。
图2.1 电源电路
AMS1117-3.3是一个集成稳压芯片，它可以将5V的稳压芯片变为3.3V以供单片机工作，因为C8051F040单片机要求的工作电压在2.7～3.6V。经过AMS1117-3.3输出的电压仍然会有交流和杂波，再经过电容滤波就可以得到芯片需要的数字电压了。
2.3 晶振电路
晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，为单片机指令的执行提供了基础。晶振提供的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。
晶振在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路， 由于晶振等效为电感的频率范围很窄所以即使其他元件的参数变化很大。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值。选择与负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容。 2.4 串口通信电路
图2.2是串口通信电路。由于普通的台式电脑的串口都是RS232电平协议的，而单片机的串口是TTL电平协议的，因此需要MAX232芯片将电平做一下转换。所谓RS232电平就是发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。
图2.2 串口通信电路
MAX232芯片是一款电压转换芯片，可以将RS232电平和TTL电平互相转换，符合所有RS-232C技术标准，只需要单一+5V电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。内部集成2个RS-232C驱动器，具有高集成度，片外最低只需4个电容级可工作[8]。
3.数据采集硬件调试
3.1 硬件调试过程
将单片机元器件按照PCB板焊接完成之后按照以下步骤完成了调试。
（1）检查电源电路，看是否给单片机供电，以及电压的幅值和稳定性。
（2）检查晶振电路，看是否正常起振，给单片机提供时钟。
（3）检查下载调试电路，将一个测试LED小程序下载到单片机中，并调试成功。
（4）将串口调试程序下载到单片机中，在PC串口助手中查看单片机串口是否工作正常。
3.2 数据采集系统硬件实物
C8051F040主控芯片加上外围电路，整个数据采集系统硬件部分就完成了。电源电路给芯片提供电源，晶振电路给芯片提供程序运行的时钟，复位电路可以使程序从头执行而不必上电复位，JTAG下载调试电路供编程调试下载时使用，串口通信是我们必不可少的，主要用于命令和数据的交互。图3.1是整个数据采集系统的硬件实物。
图3.1 系统硬件实物图
4.结束语
本文设计了一种基于MCU级联技术的数据采集硬件系统，该数据采集系统采用C8051F040单片机作为采集控制器，通过两个C8051F040级联将采集路数提高到120路，这样该数据采集系统将符合大多数应用环境，也大大提高了该采集系统的广泛性和灵活性。数据采集技术在自动测试、自动控制、通信、信号处理等领域得到广泛的应用。
参考文献
[1]祝常红.数据采集与处理技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表，2004，41（464）：4-8.
[3]孙伟超，尹德强，汪定国.基于C8051F040的环境数据采集系统设计[J].电子测量技术，2011，34（10）：91-95.
[4]于丽娜，秦丽.C8051F单片机信号采集系统[J].仪表技术与传感器，2011，7：53-55.
[5]Ya-fei Yin，Ting Liang，Yu Han.Design of Data Acquisition and Processing System of Photoionization Signal Based on C8051F040[A].2010 International Conference on Computer Application and System Modeling[C].Tai Yuan，2010：108-111.
[6]张培仁.C8051F040系列单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2013.
[7]谭秋林，马游春，翟成瑞.C8051F040在多路数据采集以及CAN传输中的应用[J].弹箭与制导学报，2006，26（1）：610-612.
[8]马斌，韩忠华，王长涛.单片机原理及应用——C语言程序设计与实现[M].北京：人民邮电出版社，2009.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：11273001）。
作者简介：张立立（1984—），女，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主要研究方向：无线传感器网络、嵌入式技术等。