在工業控制過程中，需要對被控制對象的實時數據進行采集，并且根據采集數據的實際情況，對其進行實時的監控以及遠程的控制，以完成相應的控制任務。在現代工業控制中，對于控制的準確性判斷以及控制的實時性和穩定性需求都很高，所以要有一種可以進行數據采集的控制系統，而且這種系統要能夠實現多通道、高精度以及大容量的要求。從這個角度來看，文中基于單片機與PC 通信的數據采集控制系統設計研究具有非常重要的現實意義。

1 系統的基本組成

1. 1 系統的基本架構

文中構建的基于單片機與PC 通信的數據采集控制系統基本架構如圖1 所示：

圖1 系統基本架構框圖

如圖1 所示，被控對象通過傳感器的作用，采集到相應的數據，經過電壓轉換以及模擬/數字轉換之后，向單片機發送，單片機端可以根據數據采集的情況以及預先設置的程序，經過繼電器向被控制對象進行具體的操作，同時也可以通過電平轉換芯片向PC 機發送采集到的數據。PC 機可以對采集的數據進行存儲、處理，也可以根據這些數據來完善控制算法，然后經過電平轉換芯片發送控制信號，遠程控制被控對象。

1. 2 系統硬件

此次研究中，對于系統的硬件構成主要有幾個非常重要的模塊。首先是微處理器模塊，射頻收發模塊，這2 個是核心模塊，另外的傳感器模塊、天線和電源管理模塊也是硬件構成中的重點。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數據進行采集，然后進行處理，而且對整個系統的功耗和任務進行控制管理，射頻部分為了能夠有效進行功耗的控制，所以采用的是比較節能的TI 的CC2420 芯片，這樣的設計使得FLASH 存儲對于低功耗產品的選擇也非常恰當。

傳感器部分要根據不同需求進行選擇，每種傳感器都有獨特的溫度、壓力和流量的傳感系統，所以對于一些非電量的信號，還得利用傳感器將其從電壓變換模塊轉化為整個模擬信號。

筆者在設計中，對于總體的成本和系統性能需求進行了考慮，對于目前采用的節點中心設計，擬定了Atmega128L 單片機來完成。Atmega128L 單片機對于數據采集和處理的完成，能夠在很惡劣的環境下進行，而且它還具備了非常強的節能能力，其功耗的參數也一樣，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 的工作電流下穩定運行在32kHz 的工作頻率。而單片機以及PC 機之間經過電平轉換芯片的連接，才能夠工作，依靠這種方式來實現遠程通信。文中設計的系統能夠有效地實現采集被控制對象的多種參數信息，并且將其傳遞至PC 機端，對相應數據進行處理，同時也能夠選擇通過PC 機來遠程控制被控制對象。

此次構件的系統射頻信號經由天線向CC2420芯片傳輸。低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier,LNA） 在接收到相關的信號之后，將其轉化為2MHz中頻，使其形成同向分量以及正交分量兩路中頻信號。隨后，對這兩路中頻信號進行濾波以及放大處理，再從模擬信號轉化為數字信號。然后對其進行最終信道的選擇以及控制增益等處理。

為了確保存儲模塊部分能夠滿足系統的實際需求，不能夠僅僅依靠Atmega128L 內部Flash 模塊，還需要串行一個外部Flash 模塊，并且借助該模塊類似實現掉電保護功能。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 內部存儲為主模式，而外部Flash 模塊AT45DB041B 為從模式。

A/D 數模轉換部分，采用的是11 通道12 位高速的TLC2543 轉換芯片，該芯片與單片機之間的通信是通過串口通信的方式來完成的，通過4 條信號線的連接就能夠實現通信的需求。這4 條信號線分別是片選信號CS、時鐘信號CLK、數據移出Dout、數據移入Din.

在單片機的顯示裝置部分，此次設計采用的是4 個共陽數碼管，對于段選數據線以及單片機采用一組I /O 端口對其進行連接，而對于位選數據線，則經過ULN2003A 驅動芯片和單片一組I /O 端口進行連接。顯示控制部分，選用循環掃描的方式逐一點亮數碼管，然后進行高速的切換，利用人體的視覺暫留特性，使其看上去是4 根共陽數碼管在同時穩定地顯示。

2 單片機與PC 機的通信連接與控制方式的選擇

2. 1 單片機與PC 機的通信連接

此次系統構建的基于單片機與PC 通信的數據采集控制系統在單片機與PC 機的通信連接方面，主要是采用串行通信的方式實現的，這種方式能夠將單片機在現場采集到的各種數據通過串行通信的方式傳輸給計算機，而同時，計算機也能夠通過這種方式實現自身對被控對象的遠程控制功能，文中設計的單片機與PC 機之間的通信電路如圖2 所示：

圖2 單片機與PC機之間的通信電路設計圖

如圖2 所示，在單片機端，其輸入和輸出電平均為TTL,與PC 機的串口之間存在不同的電氣規范，因此，必須通過電平轉換芯片使二者之間能夠達到一致。在這里設計了MAX232 芯片作為RS - 232電平以及TTL 電平之間的轉換芯片。圖2 之中的C4,C5,C6 以及C7 都是MAX232 芯片的電源變換電路的外接電容，而C8 電容則是電源的去耦合電容，以消除對電源噪聲的影響。在PC 機端其TXD信號是通過MAX232 芯片將RS - 232 電平轉換為TTL 電平，然后將具體的信號向單片機進行傳遞，而在單片機端，則是通過MAX232 芯片將TTL 電平轉換為RS - 232 電平，實現數據的傳遞。而C1,C2以及Y1 則構成了單片機的外接晶振電路，電解電容C3 和電阻R1 構成單片機復位電路。

2. 2 單片機與PC 機控制方式的選擇

在對于單片機控制方法的選擇上多是采用開關的方法，在開關打到不同位置并且能夠對應引起不同引腳電壓的過程中，要能夠對PC 機的遠程控制模式和單片機的本土控制模式進行不同位置的打開，這樣才能夠判斷好單片機運行的模式，從而判斷當前是處于PC 機的遠程控制模式還是處于單片機的本土控制模式。如果選擇的是前者，則PC 機根據自身內置的算法庫中的算法程序對當前的數據進行分析，然后將得出的操作指令向單片機發送，再由單片機根據內置的指令，進行操作。選擇后者則是單片機根據其采集到的實時數據，與預先內置的參數相對應，從而選擇不同的預案，以便對被控對象進行操控。一般地，選擇前者能夠實現更為精確的算法控制，但是其復雜程度也就更高，而后者的操作簡便，精度相對就比較有限。具體地，用戶在不同的應用環境之下，可以根據自身的實際需要來選擇不同的控制模式，從而提高系統的靈活性。

3 系統軟件的設計

此次的系統軟件設計包括了單片機端以及PC機端，而且這兩個程序還分別運行于不同的實體之上。在單片機端，采用的是C51 對程序進行編寫，而對于PC 機端則采用的是VB 進行的程序編寫。

3. 1 單片機端程序設計

單片機的初始化，模擬信號和數字信號的轉換過程，都應該包含在單片機端口的程序設計中，對于信號和采集到的數據，以及和PC 機端口的通信程序等方面，都要進行合理的控制。系統的初始化主要是將系統的各個設備設定到初始狀態，或者中斷初始化。這樣才能完成模擬信號和數字信號之間的轉化，這些數據的采集都是利用軟件的模擬來完成的，而且這樣可以轉化數字信號，將模擬的信號轉化為單片機能夠識別的數字信號。控制程序將單片機自身的內置控制算法和計算控制數據等運行的具體程序都進行了操控和指令的發送，而接收程序則是在接收到1 個字節的數據之后，就進行1 次中斷服務，然后繼續進行接受。

3. 2 PC 機端的程序設計

在PC 機端，一般開發的工具就是采用VB6. 0可視化開發工具，該部分的程序中主要是對于窗口的設計，系統初始化的設計，對于數據接受程序的設計，以及對于發送程序和文件存儲的程序以及控制算法內容的設計。

文章主要介紹數據的采集和算法。數據在采集之后，一般要經過長期的保存，而且在PC 機的端口，都是在具體的文件之中保存著數據，根據文件的具體類型來進行打開的處理。這種文件既可以是文本文件，也有可能是數據文件，只有這樣，才能夠在對控制對象進行遠程控制的時候完成相應數據的調取，然后利用控制算法進行計算，再將數據通過通信空間向單片機發送，單片機根據PC 機的指令具體執行。

4 結語

文中主要是對于基于單片機和PC 機通信的數據采集和控制系統設計進行了研究，設計思路主要包括了選型、基本架構、軟硬件的選用設計等。此次構建的系統能夠實現采集被控制對象的多種參數信息，并且將其傳遞至PC 機端，對相應數據進行處理，同時也能夠選擇通過PC 機來遠程控制被控制對象。該系統具有采集數據量大、精度高、控制方式靈活等優點。