《工业控制计算机》２０１０年第２３卷第１１期
基于单片机的管道机器人多路数据实时采集系统的设计ＭｕＩｌｉ—ＣｈａｎｎｅＩＤａｆａａｎｄＲｅａＩ—ｔｉｍｅＡｃｑｕｉｓｉｔｉＯｎＯｆＰｉｐｅＩ．ｎｅＲＯｂＯｔＢａｓｅｄＯｎＭＣＵ谭兴军王宇俊何新强（西南大学计算机与信息科学学院，重庆４００７１５） 摘要
分析了多路模拟选通器７４ＨＣ４０５１、仪表放大电路ＡＤ６２０、Ａ／Ｄ转换电路ＡＤＣ０８０９及８位单片机ＡＴ８９Ｓ５１的主要性能．并结合管道机器人的特点，设计了一个有效的多路数据实时采集系统。讨论了数字低通滤波算法与Ａ／Ｄ转换及多路选通的程序控制方案。 设备管理系统
关键词：数据采集，单片机，管道机器人
Ａｂｓｔ旧ｃｔ
ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｉｎｐｒＯｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅａｎａＩＯｇｍｕＩｔｉｐＩｅｘｅｒ７４ＨＣ４０５１，ｔｈｅｍｅｔｅｒａｎｌｐＩｉｆｉｅｒＡＤ６２０．ｔｈｅＡＤＣｃｉｒｃｕｉｔＡＤＣ０８０９．ａｎｄｔｈｅ８一ｂｉｔｍｉｃｒＯｃＯｎｔｒＯ¨ｅｒＡＴ８９Ｓ５１ｆｉｒｓｔ。ｔｈｅｎｅｘｐｌｉｃａｔｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎＯｆａｍｕＩｔｉ—
ｃｈａｎｎｅＩｄａｔａａｎｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅａｃ—ｑｕｉｓｉｔｉＯｎｓｙｓｔｅｍ０ｆａｐＩｐｅ¨ｎｅｒＯｂＯｔｂａｓｅｄＯｎｔｈｅｓｅｃＩｒｃｕｉｌｓ．ＴｈｅａＩｇＯｍｈｍｏｆｌＯｗ—ｐａｓｓｆｉ｜ｔｅｒ。ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉＯｎｏｆｐｒｅｐ恰
ｇｒａｍｍｅｄａｕｔＯｍａｔｉｃｃｏｎｔｒＯＩＯｎＡ亡）ｃａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎＯｆｍｕＩｔｉ—ｃｈａｎｎｅＩａｒｅａＩｓｏａｎａＩｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋ唧ｒｄｓ：ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉＯｎ，ＭＣＵ，ｐｉｐｅ¨ｎｅｒＯｂｏｔ
１系统概述
管道机器人可广泛应用于石油、天然气、化工、核工业、通讯、建筑等领域，为大量管、孔类设施和零部件提供内壁缺陷检测、管内修复等服务。当管孔内径发生变化时，管道机器人必须能够准确识别并实时调整以适应变化。在这一过程中，控制系统需要对各种传感器。特别是各个压力传感器的信号进行综合分析。因此，设计一个有效的多路数据实时采集系统是至关重要的。
该管道机器人含有８个压力传感器，这些传感器将力学量转变成电信号输出，输出范围为Ｏ一２０ｍＶ。机器人控制系统要求对这８路模拟电信号进行数据采集，采集频率为１ｋＨｚ。如图１所示为多路数据实时采集
系统的结构框图。传感器采
集的多路模拟信号通过多
路开关选择其中一路信号
进行放大，放大之后的模拟
信号经过低通滤波后送入
Ａ／Ｄ转换器，Ａ／Ｄ转换结果
经过微处理器的数字低通
滤波后存储到片外数据存
储器，在接到上位机发来的
请求命令后系统便通过串
口电路以９６００ｂｐｓ的波特
率将数据发送给上位机。图１多路数据实时采集系统结构框图２电路设计
２．１微处理器电路
微处理器选择ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｓ５１单片机。考虑到数据采集系统数据量较大，而ＡＴ８９Ｓ５１的片内ＲＡＭ仅为１２８Ｂ，远远不能满足该数据采集系统对数据存储的要求，必须增加片外数据存储器。在对数据传送速度、容量、系统复杂度及价格方面的综合分析后决定选用３２Ｋ×８ｂｉｔ的ＳＲＡＭ６２２５６。ＡＴ８９Ｓ５１的ＰＯ口既作为地址低８位线也是数据线，因此单片机与ＳＲＡＭ之间还需要一个地址锁存器，本系统按照常见的方案选择７４Ｌｓ３７３作为地址锁存器。这样，在８路信号采集频率都为１ｋＨｚ的条件下保证了至少４ｓ内不中断上位机且数据不会丢失。
２．２多路模拟选通电路
４０５１是常用的８选１多路模拟选通器，本系统即选用７４ＨＣ４０５１作为多路开关。４０５１相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的３位地址码ＡＢＣ来决定。但由于其地址线与Ａ／Ｄ转换电路共用了单片机的Ｐ１口，因此也选用了７４ＬＳ３７３作为它的地址锁存器。同时，单片机的Ｐ２．７脚作为７４ＬＳ３７３的使能输出端。
２．３信号放大电路
由于感器采集的信号电压仅为０—２０ｍＶ，而ＡＤＣ０８０９输入电压要求０～５Ｖ，因此要将其更精确地数字化就必须设计一个放大电路将Ｏ～２０ｍＶ的电信号放大到０—５Ｖ。本系统选用仪表放大电路ＡＤ６２０，这是一款精密高倍放大电路，它由三个放大器共同组成，如图２。
Ｖ
Ｖ・
圈２ＡＤ６２０原理图
如果固定电阻Ｒ的值。则可以通过调整Ｒｘ的值来调整放大的增益值。因此可以在ＡＤ６２０的１脚和８脚之间接一个适当的电阻ＲＧ来调节电信号放大倍数。ＲＧ的确定方法可通过如下公式计算：
Ｒ一４９．４｝乱
“Ｇ—Ｇ一７
式中Ｇ为增益值，本系统要将电信号从２０ｍＶ放大到５Ｖ，增益值为２５０，但考虑到后面的滤波电路还有２倍的增益，Ｇ值
取１２５即可。计算得ＲＧ约为３９８Ｑ，选取与之接近的４００Ｑ标万方数据测试44
２４基于单片机的管道机器人多路数据实时采集系统的设计
准值电阻。
２．４低通滤波电路
根据系统特性选择二阶有源低通滤波，并对滤波器作如下性能要求：截止频率ｆｃ＝１ｋＨｚ，电压增益忙２。滤波器设计如下：滤波电路类型为压控电压源（ＶＣＶＳ）电路，放大电路选择通用放大
器ＬＭ７４１，选择标称电容Ｃ＝０．０１“Ｆ，再根据Ｃ的值计算电阻系数Ｋ：
ｂ舆：７Ｄ
‘ｏ
根据二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）设计表查得Ｋ＝１时各元件值为：
ＲＩ－１。１２６ｍ，Ｒ２＝２．２５０｝ｃｎ，Ｒ，＝Ｒ４＝６ｉ７５２｝ｃｎ．ｃｌＩＣ
将各电阻值乘以电阻系数Ｋ即得设计值：
Ｒ１－１１．２６娥。Ｒ产２２．５０瓶ｌ。Ｒ产Ｒｔ－６７５２跹Ｉ．
最终设计得二阶有源低通滤波电路如图３。其中ｓｉｎ为经过放大的输入信号，ｓｏｕｔ为滤波器输出信号。
ⅫＤ
．１５ｖ
圈３二阶有源低通滤波电路图
２．５Ａ／Ｄ转换电路
本系统选用ＡＤＣ０８０９八位模数转换电路对经过放大和滤波的信号进行Ａ／Ｄ转换。ＡＤＣ０８０９是ＣＭＯＳ单片型逐次逼近式Ａ／Ｄ转换器．８路输入通道。８位采样分辨率，Ｏ～＋５Ｖ模拟输入电压范围，且只需单个＋５Ｖ电源供电。这些特性使得ＡＤＣ０８０９被广泛使用。虽然ＡＤＣ０８０９内部有多路模拟选通功能，但为了不至于对每一路信号独立设计放大电路和低通滤波电路，降低硬件规模和成本，本系统在信号输入端进行多路模拟选通，而不用Ａ／Ｄ转换电路内部的多路模拟选通功能。本系统中输入信号从ＩＮ０脚进入，并使三位地址选择端Ａ、Ｂ、Ｃ都置零。
处理器对ＡＤＣ０８０９的控制一般有查询方式、定时扫描方式和中断方式，本系统中选择中断方式。Ａ／Ｄ转换完毕后ＥＯＣ通过取反向ＡＴ８９Ｓ５１外部中断信号脚ＩＮＴＯ发送中断，Ａ丁８９Ｓ５１的Ｐ３．５和Ｐ３．４分别控制ＡＤＣ０８０９的ＳＴＡＲ丁、ＡＬＥ和ＯＥ。
透平式压缩机要使ＡＤＣ０８０９能正常工作，还必须为其提供１０ｋＨｚ～１２８０ｋＨｚ的外部时钟，这个时钟可由单片机的定时器产生。但本系统中单片机的机器周期为１“ｓ，对于提供这样一个频率的信号，定时器势必频繁中断，这不仅会占用大量处理器资源，甚至可能引起系统混乱。考虑到单片机ＡＬＥ的功能，本系统将ＡＬＥ的信号通过两个Ｄ触发器进行四分频。ＡＴ８９Ｓ５１主频为１２ＭＨｚ，ＡＬＥ的频率即为２ＭＨｚ，四分频后的频率为５００ＫＨｚ，满足ＡＤＣ０８０９正常工作的需要。因此电路中使用了二Ｄ触发器ＣＤ４０１３以保证系统性能。
３程序设计
系统程序全部用Ｃ语言编写，采用模块化设计方法，并在Ｋｅ¨ｐＶｉｓｉｏｎ３环境下调试通过。主要包括系统主程序、ＳＲＡＭ控制与数据管理模块、数字低通滤波模块、芦／Ｄ转换与多路选通控制模块和串口通信模块。本文着重对数字低通滤波算法和Ａ／Ｄ转换与多路选通控制算法进行介绍。
３．１数字低通滤波程序
数据低通滤波的方法有多
种，分别适合不同的应用，本系统
采用算术平均值滤波方法。即对
采集的一组数据（本系统对每路
信号８次采样分为一组）分别对
每路数据求算术平均值，删除偏
离平均值２０％以外的采样点。并
将剩余的数据存人数据队列中。
图４为此部分程序流程图。
３．２Ａｏ转换及多路选通控制程序
数据采集系统要求对每路数
据采样频率为１ｋＨｚ，８路数据即
需要一个８ｋＨｚ的中断源信号。本
系统将定时器０（ＴＩｍｅ巾）作为这
一中断的中断源。Ｔｉｍｅ巾工作方
式为方式２（８位自动重置），初始
值为２５６—１２５＝１３１（ｏＸ８３），这样
在主频１２ＭＨｚ情况下可以获得
一个较精确的８ｋＨｚ中断源信号。
Ａ／Ｄ转换系统采用的是中断控制圈４数字低通滤波程序流程图方式，转换完后ＡＤＣ０８０９向
ＡＴ８９Ｓ５１的外部中断Ｏ（Ｅ×０）发出中断信号，数据的读取与存储在该中断响应程序中完成。ＡＤＣ０８０９的数据接口与多路选择器的地址口共用了ＡＴ８９Ｓ５１的Ｐ１口，除了硬件电路上的可控制性，软件控制也很关键。程序流程图见图５。
圈５程序流程图
４实验结果分析
实验结果表明，当输入信号为最强电信号（２０ｍＶ时）经放大和滤波电路后输出４．８５Ｖ，与理论值５．００Ｖ相差０．１５Ｖ；当输入信号为最弱电信号（２０ｍＶ／２８—０．０８ｍＶ时）经放大和滤波电路后输出０．０４Ｖ，与理论值Ｏ．０２Ｖ相差Ｏ．０２Ｖ。因此信号放大电路和滤波电路的设计对弱电信号的放大状况是基本满足要求的。
为验证数字低通滤波算法的有效性，本文在ＭａｔＩａｂ环境中
白细胞介素4
（下转第２６页）
万方数据
基于ＺｉｇＢｅｅ的移动广告词更换
计数器的值一起发送出去。显示终端接收到信息后解析出更换装置发来的计数器值，并与自身的计数器值进行比较，如果两个值不相同则更换广告内容，并更新自身计数器的值为更换装置计数器的值。
圈２ＺｉｇＢｅｅ协议数据段格式划分
３广告更换装置设计
广告更换装置是广告信息的发布者，更换装置需要与众多显示终端进行通信，是一种全功能器件（ＦＦＤ），起到网络协调的作用，其能以网络协调者的身份启动一个ＺｉｇＢｅｅ网络。同时更换装置会自动发现显示终端的连接尝试，与显示终端间建立会话。广告内容经过Ｕｎｉｃｏｄｅ编码后作为ＺｉｇＢｅｅ模块的发送数据经编译工具编译后一起下载到ＺｉｇＢｅｅ模块的ＲＡＭ中，这样更换装置就可以随处移动，只要显示终端在其通信范围内，且属于同一个网络标识，这样显示终端就可以加入到更换装置所启动的一个无线网络，实现广告内容的更换。
４广告显示终端设计
显示终端主要完成三个方面的功能：广告内容的接收、存储与显示。显示终端的处理中心是ＡＲＭ处理器，处理器通过ＲＳ２３２接口与ＪＮ５１××一ｘｘ）（一Ｍｙｙ系列的ＺｉｇＢｅｅ无线收发模块连接，ＺｉｇＢｅｅ模块收到信息以后对信息进行解析，首先对计数器的值进行比较，若计数器值
相同则丢弃信息，否则将信息通过串口发往ＡＲＭ处理器，处理器再将广告内容的Ｕｎｉｃｏｄｅ编码以文件的形式存储在Ｆｌａｓｈ中。处理器采用多任务的斗ＣＯＳ—ＩＩ操作系统，系统中定义两个用户任务，一个用于完成上述接收广告内容的Ｕｎｉｃｏｄｅ编码并将其以文件的形式存入ＦＩａｓｈ中，另一个任则完成从文件中读取广告内容并将内容显示到ＬＥＤ屏上。由于从文件中读出的数据为字符类型，还需要对读出的字符进行Ｕｎｉｃｏｄｅ编码还原。两个任务的流程图如图３、图４所示。
图３将广告内容写入文件流程图图４读取文件并显示流程圈５结束语
大众理财顾问
本设计通过ＪＮ５１）（ｘ—ｘｘｘ—Ｍｙｙ系列的ＺｉｇＢｅｅ无线收发模块与ＡＲＭ处理器相结合实现广告词的移动更换，使得像出租车这种处于移动状态的户外广告媒体，只要出租车进入更换装置的通信区域，即可轻易的实现广告词的更换，同时也将大大降低广告运营成本，具有很好的实用价值。
参考文献
［１］张辉宜，陶永．智能公交系统的设计与实现［Ｊ］．中国仪器仪表，２００７（１１）
［２］刘恺．基于ＺｉｇＢｅｅ协议的智能仪表数据采集系统的设计［Ｊ］．自动化仪表，２００７（４）
国家公路网规划发布
［４］邵贝贝，等．嵌入式实时操作系统肛ＣＯＳ—ＩＩ［Ｍ］．２版．北京：北京航空航天大学出版社。２００５
［５］管耀武，杨宗德，等．ＡＲＭ嵌入式无线通信系统开发实例精讲［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６
［６］王璐．ＬＥＤ大屏幕显示系统设计浅谈［Ｊ］．邮电设计技术，２００９（７）
［收稿日期：２０１０．６．２８］
．‘止舢舢舢ｊ止．‘ＩＬ．‘．ＬｊＩＬ．‘．ＬＪＬＪ上．４王－．‘ｔ．‘－Ｌ．‘‘．‘屯．‘‘ｊｌＬ．‘ＩＬ．‘‘Ｌ．‘屯．‘‘ＬＪ‘ＬＪ也．‘ｌＬＪ‘Ｌ．‘‘ＬｊＩＬ．‘ｌＬ．‘ＩＬ舢．‘ＩＬ．‘‘Ｌ“越．‘止．‘‘Ｌ．‘‘．‘．Ｌ．‘‘Ｌ．‘屯．‘ｌＬ．‘．Ｌ一‘ｌＬ．‘－Ｌ．‘止－‘‘Ｌ
（上接第２４页）
实现了同样的滤波算法。图６为在ＭａｌＩａｂ中对一路信号进行数字低通滤波的效果图。从图中可以看出，滤波后的波形比原始波形平滑了许多，多数峰值被平滑掉，特别是对信号较弱的阶段。在
疲始输入数据
滤波输出数据
圈６数字低通滤波效果图管道机器人实际行走过程中，与管壁的摩擦和自身抖动都会使原始波形产生轻微抖动，只有管孔内径改变或遇到障碍等情况才会持续地强烈抖动。因此，有效地滤掉这些轻微抖动是必须的。
５结束语
本多路数据实时采集系统将用对于管道机器人各关节处的压力传感器的信号进行采集，以供上位机进行综合分析以监控管孔内径的变化状况。随着管道机器人模型机的逐步完成，更多的传感器，如位移传感器、距离传感器、速度传感器等也会逐步加入，一个功能更强大、性能更优秀的数据采集系统将会被设计。
参考文献
［１］穆洪伟．赖康生．基于ＤＳＰ的高精度多路数据采集系统的设计［Ｊ］．工业控制计算机，２００９，２２（２）
［２］夏世长，陈迪平，王镇道，等．一种多通道数据采集电路的设计［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版），２０００，２７（６）：８０一８４
［３］黄凯．ＡＤ６２０仪表放大器使用说明［ＥＢ／ＯＬ】．（２００６一０５）．ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｓｉｇｎｅｒ．ｍｅｃｈ．ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｔｗ
［４］万文略，赵利，蔡静之．单片机原理及应用［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００４（３）
［收稿日期：２０１０．６．２９］万方数据
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议