基于单片机的短样测试数据采集系统

　　摘 要:利用单片机AT89S52，12位A/D转换芯片MAX197，Keithley-2182纳伏表和CERNOX电阻温度计完成采集系统的硬件设计，系统由传感器，放大电路，采集卡，纳伏表和工控机组成。介绍了LabVIEW开发环境下的数据采集系统的程序设计。该系统实现了对超导短样股线电压，电流和液氦杜瓦温度的高速高采集。

　　1.引言

　　中科院合肥分院等离子所超导电工中心基于 ITER（国际热核聚变反应堆）项目，需要对超导短样股线进行失超极限测试（强磁场， 4.2K液氦温度下），为此笔者设计了一套短样测试数据采集系统，对短样测试中超导股线的电流、电压、温度进行采集并实时分析和保存。

　　在短样测试实验中，电流信号变化范围 0至 1000安培，设计使用 100：1直流分流器转换为 0至 10伏电压信号接入采集系统。温度信号通过电阻温度计获得，短样股线在极低温（4.2K）情况下进入超导状态，普通电阻温度计无法测量这个区间的温度，所以选用了美国 LAKESHORE公司的 CERNOX电阻温度计。 CERNOX电阻温度计由 metal-oxy-nitride材料制成，具有负的电阻温度系数，在液氦温区灵敏度很高（ 103Ω/K），受磁场影响小 (在 4.2K温度 6T磁场下，误差 0.2%)，稳定性好。采集系统采用四线法测量温度计电阻， CERNOX电阻温度计工作电流 10微安，两端输出电压为 10毫伏级，必须使用仪表放大器放大 100倍才能符合采集系统要求，放大器选用 INA110KP芯片。在短样测试中至关重要的信号为短样股线电压信号，要求到 10纳伏，市场上现有采集卡无法胜任，此外为了消除串扰，电压信号需要独立采集，所以系统选用了 Keithley-2182纳伏表。下面是采集系统硬件结构图。

　　2．下位机系统设计

　　下位机1采用8位微处理器 AT89S52，AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。AT89S52具有以下标准配置：8K字节Flash，256字节 RAM，32位I/O口线， 2个数据指针，三个 16位定时器 /计数器，一个 6向量2级中断结构和全双工串行口。A/D转换芯片采用美信公司的 MAX197。MAX197是美信公司推出的 8通道、12位高速A/D转换芯片。芯片采用单一电源＋ 5V供电,单次转换时间6?s,采样速率可达 100ksps。量程±10V , ±5V ,0V～10V , 0V～5V，内部自带 4.096V参考电压源。它有标准的微机接口，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容，全部逻辑输入和输出与TTL / CMOS电平兼容。

　　采集系统中，MAX197采用外部时钟源， CLK引脚接单片机 ALE引脚，单片机时钟晶振11.0592MHZ,ALE引脚输出时钟为晶振的六分之一约为 2MHZ，符合 MAX197要求。单片机 P0.0至P0.7引脚与MAX197的D0至D7连接，MAX197的片选信号 CS连接单片机 P2.0引脚，HBEN引脚接单片机P1.1引脚，INT引脚接单片机 P1.2引脚， MAX197芯片地址为 0X0FEFFH。选用内部参考电压，REF引脚通过 4.7UF电容旁路接地， REFADJ引脚通过 0.01UF电容旁路接地。模拟信号输入量程选择为0到10V，使用内部采集方式， MAX197控制字为 0X10。测试系统使用2个通道CH0，CH1采集电流信号，温度信号。下面是下位机 1接口电路图

　　单片机采集子程序：

　　void scan_ch(void) { P2^0=0;    // CS片选信号有效 P1^2=1; uchar i,ch_low,ch_high,control;    for(i=0;i<2;i++)

　　{control=0X10+i; //给出控制字和通道选择 XBYTE[0X0FEFF]=control; // 写控制字产生一个 WR脉冲，开始采集 while(P1^2==1) {;} //等待采集结束信号， P1.2为0时结束 P1^1=0;  //低电平获取低8位数据 ch_low=XBYTE[0X0FEFF]; P1^1=1; ch_high=XBYTE[0X0FEFF]&0X0F; //获取高4位数据 chan_data[i]= ch_high *256+ ch_low; //将数据存入数组 }

　　start_ch=0; //一轮采集结束 }

　　设置单片机允许串口中断，波特率 19200，数据位 8位，无奇偶校验。当下位机 1通过串口接收到采集允许信号后，系统进行一轮采集，并把数据通过串口发送给上位机。采集系统使用MAX232芯片进行串口电平转换。

　　单片机串口初始化：

　　void init_serial(void)

　　{//定时器1的工作方式 2  TMOD=0X20; TL1=0Xfd; //装载计数初值 TH1=0Xfd; SCON=0X50; //采用串口工作方式 1，无奇偶校验 PCON=0X80; //串口波特率加倍波特率 19200 IE=0X90;  //开总中断，开串口中断 TR1=1; //启动定时器1

　　}

　　单片机串口发送数据：

　　void data_send(void) { uchar i;  EA=0; //关中断 for(i=0;i

　　{ //send_txt字符串由每个 chan_data[i]的两个字节转换而来 SBUF=send_txt[i]; //按字符顺序发送 while(TI==0); TI=0;

　　}

　　EA=1; //开中断 } 下位机 2采用 Keithley-2182纳伏表，支持单路模拟输入信号，分辨率为 1纳伏，采用IEE-488接口与计算机相连，支持 GPIB协议。GPIB是一种工程控制用协议，昀初由 HP公司提出，目前成为一种国际标准，遵守的协议为 IEEE488。可以使用任何编程语言如 VB、VC和 LabVIEW实现电脑对仪器的控制。系统中通过 GPIB桥接卡与上位机连接。 Keithley-2182纳伏表在保证下采集速度昀快可达每秒 18个。下面是采集系统总体流程图。

　　3．上位机程序设计

　　上位机采用LabVIEW开发环境，LabVIEW是新一代G语言编程软件，适宜于仪器控制和数据采集，程序使用状态机结构，分为五个状态：设置，采集，保存，分析，显示。采用多线程技术，三个工作线程：数据采集显示线程，实时分析线程，数据保存线程。在三个线程之间采用Queen队列传递数据。Queue队列，先进先出结构，协调三个线程运行，在采集中起到约束和补偿的作用，避免了数据丢失和死锁现象。下面是上位机程序结构图。

　　Keithley公司提供了纳伏表Keithley-2182 LabVIEW库函数，Keithley 2182 Display.vi用于设置启用或关闭仪器面板显示，关闭仪器面板显示可以提高采集速度。Keithley 2182 Measurement Mode.vi用于设定采集类别，采集系统设置为电压采集（DCV）。Keithley 2182 DCV.vi用于设定电压范围、、滤波和采集速度，采集系统设置为 7位半、中速、无滤波、通道 1。GPIB Write.vi用于向 Keithley-2182纳伏表写入 GPIB命令，命令“：data:fresh?”:请求获取昀新采集数据。GPIB Read.vi用于接收昀新数据。可以循环发出 GPIB读写命令，进行数据采集。

　　LabVIEW串口通讯调用 VISA模块中的库函数。VISA Configure Serial Port：初始化指定串口通讯参数，设定波特率为 19200，8数据位，无奇偶校验，COM1； VISA Set I/O Buffer Size：设置指定的串口的输入输出缓冲区大小，设定为 2048字节；

　　在数据保存线程中，为了方便以后数据察看和分析，采用 excel文件存储。在 LabVIEW中，利用 ActiveX服务中的属性节点 Property Node，可以读取或设置 ActiveX控件的属性，调用节点 Invoke Node可以用来调用 ActiveX控件的方法，通过使用属性节点和调用节点来打开，读取和写入 excel文件。系统设定每隔 1秒线程从数据队列 1请求一组数据，这样使得采集显示线程可以获得更多时间片用于采集，提高速度。

　　在实时分析线程中，线程每隔 1秒从数据队列 2请求一组数据，插入绘图数组中，利用LabVIEW的绘图函数绘制趋势图。设置 x轴为通电电流，y轴为短样股线电压。下面是采集系统运行界面图。

　　4. 测试与总结

　　经过测试，采集系统速度可以稳定达到每秒每通道采样 17个，采集和速度符合要求，可以完整捕捉到失超临界点和失超曲线；采集系统硬件电路简单，成本低廉；软件界面直观，智能化程度高，程序可读性较 VC代码强，适合非计算机工程人员使用。采集系统扩展性很好，如果有需要可以采集更多路信号。 创新点：采用 AT89S52单片机和 MAX197 A/D转换芯片，替代 PCI采集卡，降低了成本，简化了系统设计，提高了可维护性，同时也达到了短样测试的数据要求；采用便携式 Keithley-2182纳伏表使实验室获得了高采集的能力；软件设计方面采用 LabVIEW和 Queen技术保证了易用性和稳定性。

  

参考文献:

[1]. AT89S52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[2]. MAX197 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX197_721185.html.
[3]. INA110KP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/INA110KP_509819.html.
[4]. 80C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html.
[5]. MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.
[6]. PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.