數據采集是目前一種流行且實用的技術。經調查,目前數據采集器的市場需求量大，以數據采集器為核心構成的小系統應用廣泛，因此開發高性能的數據采集器具有良好的市場前景。本文以實驗室數據采集、工業現場數據采集、野外數據采集為主要方向,設計一款結構簡單、操作方便、高性價比、具有顯示、記錄存儲功能的數據采集系統。
2 數據采集系統設計
2．1 系統硬件設計
數據采集系統硬件電路包括單片機控制、監控、A／D采樣、顯示驅動、數據存儲、數據傳輸等模塊。圖1所示為數據采集系統組成框圖。
2．1．1 單片機控制模塊
本數據采集系統的單片機控制模塊選用AT89S52。AT89S52具有40個引腳，8 KB Flash片內程序存儲器,1個全雙工串行通信口，內置看門狗(WDT)電路。
2．1．2 監控模塊
測控系統中存在電源開斷、瞬時電壓不穩定等因素,造成系統死機、信息丟失、運行不穩定等故障。為實現系統安全可靠、穩定、實時運行，須在測控系統中加入監控模塊。系統的監控模塊采用X25045,該器件具有電壓監控、看門狗定時器和E2pROM等功能，可以直接與微控制器的I／O端口串連。
2．1．3 A／D采樣模塊
A／D采樣模塊采用TLCl543。TLC1543是TI公司采用SPI技術的模數轉換器，具有輸入通道多、高速、高分辨率、高性價比，易與單片機接口等特點。TLC1543的控制端CS、I／O CLOCK、ADDRESS和數據輸出端DATAOUT遵循串行外設接口SPI協議。雖然51系列單片機未內置SPI接口，但僅需通過軟件模擬SPI協議即可實現通信。TLC1543和微處理器的串行接口之間可通過一個4線接口高速傳輸數據。
2．1．4 顯示驅動模塊
系統顯示驅動模塊采用PS7219。PS7219是一種高性價比的多位LED顯示管理器，采用同步串行外設接口(SPI)，可與任何單片機相連，并可同時驅動8位LED。
2．1．5 串行通訊接口電路
在工業測控系統中，常用于51系列單片機采集現場模擬量、開關量，而PC機用于監控整個控制現場。這兩者間的數據傳輸或所構成的局部網絡、多用戶系統和分布式控制系統一般采用串行通信，PC機為主機,單片機為從機。本系統數據傳輸采用異步串行通訊,采用Maxim公司的典型串行通信接口器件MAX232ECP實現數據傳輸。
2．1．6 數據存儲模塊
為了實現系統數據定時采集和按日期保存數據，擴展一片實時時鐘日歷器件SD2001E。該器件具有I2C總線接口，內置實時時鐘所需電池、晶體振蕩器、電源管理等電路。系統掉電時可保證時鐘正常運行。SD2001E無需外圍元件，即可構成高精度實時時鐘及具有256 KB非易失性SRAM的數據存儲電路。
SD2001E采用24引腳DIP封裝。SD2001E的主要特性：年、月、日、星期、時、分、秒的BCD碼輸入／輸出；I2C總線接口(包括實時時鐘部分和SRAM部分)；自動日歷到2099年(包括閏年自動換算功能)；內置晶體振蕩器，出廠前已對時鐘校準，保證精度為±4×10-6，即時鐘年誤差小于2 min；低功耗，典型值為1．0μA(VDD=3．5 V)；工作電壓為3．0 V～5．5 V：可設置兩路鬧鐘輸出及1 Hz～32 768 Hz的方波信號輸出；可設置每分鐘固定中斷輸出或選定頻率固定中斷輸出；內置充電電路和充電電池，電源管理電路以及穩壓電路和電池掉電檢測電路；內置256 KB的非易失性SRAM，其擦寫次數為100億次，且無內部寫延時。
本采集系統設計利用SD2001E實現以下功能：
(1)實時時鐘日歷。SD2001E可提供高精度的時鐘及日歷功能，以滿足具有定時數據采集、輸出控制、數據保存以及定時報警等功能的嵌入式系統需要,同時也可以為系統提供時間以及日期顯示功能。
(2)數據保存。利用SD2001E片內32 KB、擦寫數為100億次的高性能NVRAM,無需考慮存儲器的擦寫壽命及數據存儲的可靠性問題。因而，SD2001E為那些需要頻繁讀寫數據的應用提供了解決方案。
(3)定時輸出。當系統需要以分鐘為基本單位定時輸出時(如采集周期固定的多路數據采集、巡回檢測系統等)，可將SD2001E狀態寄存器的INT1ME位置“1”,INT1FE位置“0”,以選擇為每分鐘邊沿中斷輸出或將INT1ME、INT1FE同時置“1”選擇為每分鐘固定中斷輸出。通過單片機的計數器或中斷次數軟件計數的方法，可得到以分鐘為單位的任意時間輸出。
SD2001E與AT89S52單片機的硬件連接電路如圖2所示。由于AT89S52沒有I2C總線，因此采用P2．0和P2．1接口線模擬I2C總線。SD2001E內部SRAM的I2C總線接口SDAE與SDA并聯,SCLE與SCL并聯。
2．2 系統軟件設計
利用ASM51匯編語言編寫數據采集與數值計算、數據顯示、數據存儲和數據通訊軟件；采用可視化語言VB6．0設計上位機軟件，編寫上位計算機數據接收和處理軟件。
系統主程序為數據采集系統的主體部分，它由自檢與初始化、A／D轉換程序、顯示驅動、監控程序、按鍵程序、數據上傳通訊、數據定時存儲等模塊組成。首先是系統初始化。當系統運行正常，則開始運行數據采集軟件的主程序，使用默認配置參數設定系統的采集通道數，完成數據采集、數據顯示、數據傳輸及數據定時存儲等功能。系統軟件設計流程圖如圖3所示。
3 結束語
本數據采集系統選用了工業級器件，能夠適應油田野外惡劣環境,保證系統在寬泛的電壓范圍內正常工作，低功耗；實時時鐘日歷器件SD2001E能實現數據定時采集和按時間日期保存數據。該數據采集系統不僅能獨立工作，還可進一步上傳處理數據，擴展系統。
