光电检测数据采集卡的设计与应用

李梦

摘   要：本设计主要通过制作光学检测仪的硬件电路，测量环境可见光的光度、功率、色度等物理量，通过不同的光电传感元件，可以实现对光信号各个参数实时监测，应用范围极广，尤其在光纤通信等领域具有重要作用。通过研发实验，文章提出构建一个基于光电信号检测的信号采集平台。

关键词：光电检测;数据采集;传感器

1    数据采集系统

随着科学技术快速发展和普及，许多领域开始广泛使用数据采集系统。尤其在工农业控制系统里，数据采集是重要组成部分，在许多工农业的生产过程中，往往需要对各个生产环节的温度、湿度、流量、压力等参数进行随时检测。同时，在任意参数的随机搜索和检测，一定时期内试验数据的转换和提取、比较、决策，控制方案的调整和产品合格率的提高等方面都具有良好的經济效益。严格来说，数据采集系统应该是计算机控制的多通道数据自动检测或电路检测，对数据进行存储、处理、分析和计算，并能从测试数据中提取可用信息，供显示、记录、打印或描述系统使用[1]。

本设计主要是对多通道数据采集系统的基础研究，主要解决如何采集数据、如何采集多通道数据，并将数据上传到计算机。本设计最终实现了光电信号的数据转化、采集显示等功能。

2    硬件系统设计模块

在数据采集与传输系统中，主控部分是单片机，其他组成模块有信号调理电路部分、多路开关部分、采样保持电路部分、A/D转换模块、电平转换接口、接收端（单片机、PC或其他设备）。系统整体结构如图1所示。

2.1  信号调理电路部分

将被测对象的输出信号转换成计算机需要的输入信号是信号调理电路的任务。可以通过设置多通道选择开关来降低多通道数据采集系统的输入通道硬件开销，同时，当感应到传感器的输出信号太小时，每个通道都应有一个前置放大器环节，避免小信号通过模拟开关引起大的附加误差[2]。

2.2  数据采集电路部分

本设计中数据采集电路部分选用程序控制的，其由硬件部分和软件部分组成了程序控制数据采集。在采集过程中，根据不同要求，选择相应的采集程序采集存储在程序存储器中的各种信号。此外，为了满足不同采样任务的要求还可以编写新的程序[3]。

测量通常不直接转换成数字量，并且大多数需要高级处理，例如放大、特征补偿和滤波。由于被测信号的幅值相对较小，通常不能直接传输到A/D转换器，而且可能含有其他高频成分。因此，其需要处理，即信号调理，如信号的增加、衰减、滤波等处理过程。在这个过程中，A/D转换是必需的，主要包括采样保留、量化和编码两个步骤。

2.2.1  采样—保持

采样定理是采样频率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍，才能不损失原模拟信号的真实性，即：

fs≥2fImax

由于需要一定的时间来进行A/D转换，所以从每次采样后直到下一次采样开始为止，采样电压应保持不变。在实践中，采样—保持被制成电路。

2.2.2  量化与编码

经过采样—保持电路后的模拟信号，其采样脉冲是连续的模拟信号，不是数字信号而是瞬时值，且是连续模拟信号在给定时间内的瞬时值。因此，把每个采样脉冲转换成一个与其振幅成比例的数字。

A/D转换的一般步骤就是以上两个，数据转换部分对于光电检测电路必不可少，对于模拟信号的采样和转换更是至关重要。

2.3  控制器、振荡源和复位电路

2.3.1  控制器部分

为了接受ADC0809的数据， 使用单片机作为主控制器的核心部分，将接受的数据进行处理后采用串口模式进行传输。因为控制器的系统功能较简单，采样通道选择的完成只需要只有两个开关的键盘和一个外部中断，作为核心部分的单片机可以通过发光二极管（Light Emitting Diode，LED）数字显示码与接口芯片相连接，驱动显示相应渠道收集的数据。

2.3.2  振荡源部分

并联谐振电路的形成是振荡源内部方式时钟电路外接晶体以及电容C12，C13相连，而放大器的反馈回路接内部振荡器，从而产生自激振荡。在此电路中，可以选择2～12 MHz的晶振。因电容的容值大小会对振荡的频率、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性产生一定影响，所以尽管振荡器对外接电容的容值大小没有严格要求，在外接晶体时，一般选30 pF的C12和C13;外接陶瓷谐振器时，一般选典型值为47 pF的C12和C13。

2.3.3  复位电路部分

通过外部电路来实现单片机的复位。在振荡器正常运行的情况下，不管是HMOS还是CHMOS型，RST（Reset）引脚对上述两个机器周期以上时间的高电平都要进行保持，此时系统复位。而在第二个周期中，当RST端出现一个高电平时，内部复位执行一个，然后复位每个周期，直到RST端变低。

2.4  键盘与显示电路

键盘和液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）组成一个显示电路，对系统发出命令和输出显示测量结果。键盘可分为两种，一种是独立连接式，另一种是矩阵式键盘，矩阵式键盘通常有以下几个不可缺少的部分：键盘开关矩阵，输出行线锁存器，输出列线缓冲器。首先，微控制单元（Microprogram Control Unit，MCU）先将行线第0根线置低，其余的线都置高，则此时0行为0状态，其余行都为1状态。随后MCU读取输入缓冲器的状态，此时确定哪条是0状态，哪条是1状态，若此时第1行为0状态，则表示0键被按下，若第一行为0状态，则表示1键被按下。以此类推，当输入缓冲器的状态全部都是1状态时，则MCU继续让行线1变为低电平，其余都变为高，再次重新读取输入缓冲器的状态。从而确定哪条列线是0状态，判断哪条线以及哪个键被按下，判断出来按键位置之后，就输出相应的按键结果。

当然，要想完成控制系统中采集通道的选择，还需要对系统键盘进行设置。因为其功能要求简单，完成选择功能只需两个按键即可，系统的硬件开销就可以减少，并且在软件处理上也变得相对简单。

2.5  通信电路

51单片机有一个全双工的串行口，其可以方便单片机与PC机之间的串口通信。而且必须满足一定的条件，才能进行串行通信，例如对于单片机来说，其串口是TTL电平，而对于PC来说，其串口应是RS232电平的，并且单片机的串口和PC的串口之间必须有一个电平转换电路，一般进行转换使用的是专用芯片FT232RL，因为更简单、可靠。

2.6  前端模擬电路

前端模拟电路主要由光电传感器和LM324系列运算放大器组成的运算电路构成，光电传感器是光电检测仪最核心的部分之一。本设计中，光电传感器采用光电实验箱中的PSD测位移模块，该器件有正负极电压输出，最强光时输出电压为0 V，最弱光时输出电压为3 V，可以根据该电压范围对后续的模拟电路进行元件取值设计。

3    软件设计模块

在整个电路系统的软件设计中，分为以PC端作为主控制器的软件设计和以单片机终端节点作为数据采集器的软件设计两个部分。采用模块化编程来实现系统各部分功能，其功能子程序主要有：数据采集程序、标度变换模块、数制转换模块、数值显示电路、发送、接收和部分中断子程序。

采用中断方式的是A/D转换模式，向8051的中断申请采用EOC信号，其流程主要是将主程序中的第一个启动转换信号发送给模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）后，然后对计数管理转换通道的数量进行统计。接着执行中断服务程序，在检测到基于电缆的以太网连接（Ethernet Over Cable，EOC）请求后，对转换的结果进行读取，启动下一个转换，接着继续执行。在该单片机系统中，被测量经过A/D转换后，都统一转换为范围在0～255的二进制码，所以被测量的实际数值是由A/D转换的数码X变换成的。由于监视器不能直接接收显示转换后的两个字节的实际值，因此，必须对被测量的实际值进行适当的处理（将其转换为5位的未压缩BCD代码），才能送显示端输出显示。

键盘软件的主要功能是通过增加或减少表示缓冲区的通道数的值，从而控制通道的选择。

4    结语

在不同的工农业现场，数据采集技术是一项非常实用的技术。通过对数据采集与传播的初步研究，建立了基于单片机的数据采集与传输系统的硬件平台，采用8051，ADC0809、个人计算机等相关接口和相应的软件实现了8路模拟量的采集与传输。但是在信号采集过程中，由于被测信号通常是由传感器提供的，信号通常较微弱，需要进行适当的调整。

[参考文献]

[1]高明.基于单片机的多通道数据采集系统[J].企业家天地（理论版），2010（6）：247.

[2]沙祥，张洪明，孙敏.基于MSP430单片机构成双积分型AD转换器的原理及实现方法[J].电脑知识与技术，2011（14）：227-228.

[3]姚远，王赛，凌毓涛. TLC2543在89C51单片机数据采集系统中的应用[J].信息化研究，2003（9）：37-38.

Abstract：This design is mainly through the production of optical detector hardware circuit， measuring the environment visible light photometric power chromaticity and other physical quantities through different photoelectric sensor elements， can achieve the real-time monitoring of optical signal parameters， the application range is very wide， especially in optical fiber communication and other fields have an important role. Through research and development experiments， a signal acquisition platform based on photoelectric signal detection is constructed in this paper.

Key words：photoelectric detection; data collection; sensor