现代测量与误差分析作业.doc
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现代测量与误差分析作业
摘要:
本文介绍了由51单片机、AD7934-6转换器、滤波电路及多路选择开关组成的四通道数据采集电路,包括采集电路设计的依据和所用到的元器件的参数与型号,并给出了ADC驱动程序。
一、整体的设计要求及总框图
已知:
1、压力传感器的量程:
0~100Kg;
2、传感器灵敏度:
0.01Kg;
3、传感器分辨率:
0.01Kg;
4、传感器信号输出频率:
<1000Hz;
5、测试系统工作量程:
0~50Kg;
6、测试过程中具有高频扰动;
7、测试系统工作温度范围:
-40℃~60℃。
8、传感器输出采用电流输出:
4-20mA标准电流输出
要求:
1、设计四通道数据采集电路,ADC采用AD7934-6;
2、各通道采样周期<5ms;
3、详细说明采集电路的设计依据;
4、CPU可不指定型号,采集电路与CPU的接口由示意图形式表示;
5、给出采集电路所有用到的元器件的具体型号、参数,主要考虑的指标;
6、提供主要元器件的说明书;
7、给出ADC的驱动程序。
总框图:
四通道数据采集电路如图1所示。
图1四通道数据采集电路总体设计原理图
四路传感器同时采集信号,输出四路模拟信号,经过低通滤波调理电路滤除高频干扰后,由多路选址开关选通其中一路输入A/D转换模块,其中选通信号由CPU进行控制,转换过的数字信号输入CPU。
二、主要元器件选择
2.1.滤波电路
测试过程中具有高频扰动,所以在AD转换芯片前需要加一个低通滤波器。
因为各通道采样周期<5ms,则采样频率f>1/0.005=200Hz。
则根据奈奎斯特频率在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率大于信号中最高频率的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍。
因此fs/2=f/2=100Hz。
为消除频率混淆,在采样前先用一个截止频率f 通道0的低通滤波电路如图2所示。 其他通道类似。 图2低通滤波电路 2.2.AD7934-6转换器 AD7934-6转换器芯片的引脚如图3所示。 引脚的功能描述见表1。 图3AD7934-6引脚分布 表1AD7934-6引脚功能描述 引脚序列号 符号 说明 1 VDD 提供输入电压,范围为2.7V到5.25V。 2 字或字节输入。 当输入为高电平时,字传输模式启动,数据于引脚DB0至DB11之间传输;当输入低电平时,字节模式开启。 数据和通道在DB0至DB7之间传输,DB8为HBEN模式。 3至10 DB0至DB7 数据位0到7。 三个并行数字I/O引脚提供转换结果,允许控制寄存器可编程。 DB0到DB7由、和三个引脚决定。 11 逻辑输入电源。 改电压的大小决定了转换器并行接口的电压。 改引脚需通过电容接地。 该引脚电压可以和VDD的电压不同,但是比VDD的电压不能超过0.3V。 12 DGND 数字地。 13 DB8/HBEN 当引脚为高电平时,此时DB8有效,为三态I/O口。 当引脚为低电平时,HBEN有效,为高字节引脚。 当HBEN为低电平时,低字节DB0至DB7可以读写;当HBEN为高电平时,DB0至DB3可读写。 当读时,DB4和DB5包含了转换的信息,DB6和DB7总是为0。 当写时,DB4至DB7必须为0。 14至16 D89至DB11 数据位9至11。 这些引脚为、和所控制。 17 BUSY 输出口。 逻辑输出反应了转换的状态。 在引脚下降沿时,该引脚跳变为高电平。 当转换完成,转换结果保存在输出输出寄存器中,该引脚输出变为低电平。 18 CLKIN 时钟输入。 时钟频率决定了转换时间。 时钟信号可以是连续的,也可以为断续的。 19 转换开始输入。 该引脚的下降沿用来初始化转化。 该引脚高低电平变化时,完成一次A/D转换。 20 写输入。 当低电平时,可以向寄存器写入数据。 21 读输出。 低电平时,可以访问输出结果。 当为低电平,并且为下降沿时,转换结果位于数据线上。 22 芯片选择。 低电平输入时,结合、引脚,读取转换数据或写入数据。 23 AGND 模拟地。 24 参考输入或输出电压。 25至28 模拟输入口。 AD7934-6的连线图见图4所示。 AD7934-6并行接口转换和读取的方式见图5所示。 图4AD7934-6的连线图 图5AD7934-6的转换和读取时序图 2.3.CPU的选择 因为A/D转换器的转换速率(tC转换时间、t0休止时间,N为A/D转换器通道数),应大于传感器采样频率,在考虑到成本的情况下,选择AT98C51单片机。 三、硬件电路设计及ADC驱动程序 电路根据功能分为单片机模块和A/D模块。 图6是A/D转换电路单片机模块原理图,图7是A/D转换电路AD模块原理图。 图6A/D转换电路单片机模块原理图 图7A/D转换电路AD模块原理图 单片机P1.0引脚和AD7934-6的引脚相连接,单片机通过查询此引脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换;P1.1脚和HBEN引脚相连,单片机通过设置此引脚可以读取12为数据的高低位;P2.0脚的作用是通过反相器74LS04向AD7934-6提供片选信号ADCS;START为外部控制脚,它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换;D0至D7为8位数据线和AD转换器的响应位连接。 74LS04为6输入反相器,这里用到其中一路,它的作用是对单片P2.0引脚信号取反,从而提供给A/D芯片片选信号ADCS(低电平有效)。 AD转换器的时钟信号由单片机的ALE引脚提供,读、写引脚/RD、/WR和单片机AT89C51的读写引脚分别相连;HBEN引脚由单片机控制输入,可以得到12位转换结果。 A/D转换电路涉及到摸拟和数字信号,为保证最佳的性能,在印制电路板设计时需要仔细考虑。 为了减少噪声,应该让模拟信号和数字信号分开,尽量让数字地线处于数字信号线之间,“模拟地”和“数字地”分开处理,最终在电路板的边角处相连。 ADC的驱动程序如下所示。 unsignedcharCH0DataL,CH0DataH; #defineADCH0XBYTE[0X0100] SBITADINT=P1.0; SBITHBEN=P1.1; voidmain() { EA=1; EX0=1; //打开外部中断0 While (1); //等待外部中断0启动模数转换 } /*外部中断0服务子程序*/ voidint0svr(void)interrupt0using1 { EX0=0; //关闭外部中断0 adch0=0x40; /*查询AD7934-6的中断输出ADINT,检测是否完成了信号的一次模数转换*/ While(ADINT! =0) { HBEN=0;//先读低位 } CH0DataL=adch0; HBEN=1; //再读高位 CH0DataH=adch0; HBEN=0; EX0=1; //打开外部中断0 } 四、参考文献 1.传感器与检测技术,赵勇、胡涛,机械工业出版社,2010.9 2.传感器与检测技术原理及实践,付家才、孙毅男,中国电力出版社,2008.1 3.单片机原理与应用设计,张毅刚、彭喜元,电子工业出版社,2008.4 8
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