基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计.docx

基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计.docx

《基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计

基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计

1绪论

1.1选课背景及意义

“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。

随着科技进步，人们对数据采集的要求也越来越高，比如采样频率，分辨率等等。

基于单片机的数据采集系统数据处理能力比较低，已经无法达到某些要求。

科技的不断创新及半导体工业的发展使得我们将可编程逻辑器件的技术应用到数据采集系统的研究上。

同时利用CPLD强大的数字处理功能和高密集成的特点，降低了硬件的成本，简化了电路设计，具有很好的经济效益和社会效益。

有此看出，数据采集系统日趋成熟，应用越来越广泛，发展前景是相当广阔的[1]。

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

在工业，工程，生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。

这就要求数据采集系统必须具备更高的采样频率，更高的分辨率，来提供更多的原始数据。

以前的数据采集系统一般都是以单片机为核心的，随着数据采集要求的不断提高，单片机为核心的数据采集系统已经不能满足要求了。

科技进一步发展，就出现了现在的高速数据采集系统。

随着各种先进武器系统陆续装备部队,各种问题也随之出现,尤其是在各种武器装备信号检测中都涉及到数据的采集问题，本课题要求对某武器系统的多个弹上数据，如压力、温度等进行采集并显示，要求采样频率1MHz，分辨率10位，显示到小数点后一位[2]。

综合上述，本文设计了一种基于CPLD控制高速AD转换器的数据采集系统。

这个系统能大幅度提高数据采集的速度和精度，满足高速数据采集的要求。

1.2数据采集系统的特点

现代数据采集系统具有如下主要特点：

（1）现代采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。

（2）软件在数据采集系统中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。

（3）数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。

（4）数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要。

实时性是指基于计算机的工业数据采集系统应具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。

工业控制计算机及监控管理软件具有时间驱动能力和事件驱动能力，即在按一定的时间周期内对所有事件进行巡检扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。

实时性要求计算机有多任务的处理能力，以便将测控任务分解为若干个并行执行的多个任务，加速程序执行速度。

将变化并不显著、即使不及时做出反应也不至于造成影响或损害的事件，作为顺序执行的任务，按照一定的巡检周期有规律的执行，而把保持时间很短且需要计算机及时做出反应的事件，作为中断请求源或事件触发信号，为其专门编写处理程序，保证在该事件触发时计算机可以立即响应[3]。

（5）随着电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。

（6）总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术它对数据采集系统结构的发展起着重要作用。

（7）数据采集系统的适应能力。

无论是大规模的生产过程采集系统，还是普通的多路信号采集系统，都可以通过选取适当的智能模块设备来构成相应规模的系统，这样的系统实现易于扩展和维护。

在计算机、数据采集和控制设备正常工作的情况下，如果电源供应正常、通信线路畅通以及设备状况良好时，系统可稳定可靠的长期运行。

另外，采集系统和上位机之间利用数字信号传输代替模拟信号传输，可克服电磁干扰、差模和共模信号干扰等，以适应在恶劣的环境下工作[4]。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状：

随着国外微电子技术、计数机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。

从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。

此外，数据采集器的特点还反映在如下几个方面：

（1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FFT分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能[5]；

（2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。

如法国迈威公司的MOVILOG数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡[6]；

（3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要；

（4）可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统；

（5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。

一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。

（6）数据采集器已经安装了LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键；元器件高度集成化，并减轻机器的重量；采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。

1.3.2国内研究现状：

上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201、SC247型，双通道的有EG3300、YE5938型，超小型的有911、902和921型。

具有采集静态信号的有SMC-9021型，所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本已经达到了国外数据采集器的初期水平[7]。

但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在：

（1）由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些低速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难；

（2）由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱；

（3）设备的软件水平，仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。

数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是几个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展。

高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备（如CT、核磁共振）、快速生产过程（如石油化工过程）和变电站自动化等领域都有非常重要的应用。

这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。

用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，高速数据采集仍然会有长足的发展[8]。

1.4论文结构安排

第一章：

介绍该数据采集系统的研究背景及其意义，论述了目前数据采集系统的特点以及研究现状，并给出了本文的主要工作及内容安排。

第二章：

介绍了数据采集系统设计的总体方案。

并对方案进行了进一步论证。

第三章：

数据采集系统硬件电路设计，详细论述了系统各个模块设计方案，包括相关芯片的选择、电路连接、接口设计、电源设计等。

第四章：

数据采集系统的软件设计，包括各个模块的程序。

第五章:

总结，论述了硬件电路设计中遇到的各种问题，并对全文进行了总结。

2系统设计方案

本章主要介绍了数据采集系统设计的总体方案。

2.1设计任务及要求

设计一个高速数据采集系统，要求用CPLD作为控制器，选择高速A/D转换器，对某武器系统的多个弹上数据进行采集并显示，采样频率1M，分辨率10位，显示到小数点后一位。

2.2系统框图

传统的数据采集系统，一般由信号输入部分、信号调理部分、数据采集部分、数据传输部分数据显示部分组成。

从传感器过来的模拟量通过调理电路后再送入AD转换成数字量，采集到的数据再通过传输通道到单片机进行数据处理，最后显示出采样结果。

在这种系统中，单片机作为主控芯片来完成对外围芯片的控制，数据采集的AD转换是由单片机通过软件控制的，这样势必会引起系统的频繁中断，减弱了系统的数据运算能力，使得数据采集的速度降低，单片机本身的缺点制约了整个系统的性能。

为了提高数据采集系统的性能，本文设计了基于CPLD的高速数据采集系统，与传统采集系统相比，采用高速的CPLD器件作为主控芯片，可轻易实现高速、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系统的发展趋势。

图2.1系统结构框图

其中信号输入部分是由传感器传来的各种模拟信号。

信号调理部分由放大电路、滤波器电路构成。

其主要作用是对输入信号进行放大、滤波使其电压在AD的采样电压范围之内。

AD采样部分是将输入的模拟信号转换成数字信号。

其中AD的采样电压范围和位数决定了采样精度的大小。

为了提高系统采集数据的频率，我们选择高速AD，这样采集速度就可以大大提高。

数据采集与传输控制电路的开发工作主要集中在CPLD上，在此系统中，CPLD用于控制AD转换和对AD转换之后的数据进行显示[9]。

2.3方案论证

2.3.1信号调理部分

在数据采集系统中，量化误差的引入是不可避免的。

量化误差成了评价数据采集系统的一个重要指标。

一般来说AD转换器的位数越长则量化噪声越小，精度越高。

可是在AD芯片的设计过程中，要想把数据转换分辨率提高一位，则AD转换器中的比较器数量必须增加一倍，其增加的成本可想而知。

但是通过对信号调理电路的合理设计，可以减小引入的量化误差，这可以使整个数据采集系统的性能得到进一步的提高[10]。

本系统中调理电路由滤波器电路构成。

其主要作用是除去信号中的各种干扰成分，使输入信号的幅值尽可能接近AD的输入范围Vmax，获得尽可能大的信噪比，提高数据采集的精度。

2.3.2数据采样控制部分

当前的数据采集系统已有很多，有很多基于单片机的成熟的数据采集卡，由于单片机的频率难以做的太高，这使得其构成的系统的采集数据的频率难以提高。

所以我们选择CPLD作为处理CPU，此外我们选择高速AD、高速RAM来采集数据，这样采集速度就可以大大提高。

数据采集电路的实现也有两种方案。

方案1是用单片机完成数据采集及控制。

方案2是用可编程逻辑器件CPLD来实现。

单片机的速度相对较慢，而当前武器设备电子系统对频率的要求越来越高，如在一些实时的音频，视频处理中频率可达到上百兆，这样的频率对于单片机来说是无能为力的。

如果采用单片机来控制AD芯片和数据显示,将显著降低整个系统的工作速度。

随着微电子技术的发展，CPLD器件的容量变得越来越大，速度变得越来越快，高端产品的速度已经达到几百兆[11]。

采用CPLD器件来完成高速AD芯片的控制和数据显示，使系统的速度成倍提高。

传统的系统除了单片机外还有大量的中小规模集成电路，在高速，强电磁干扰等恶劣条件下，芯片的数量越多,受到干扰的可能性就越大，造成单片机频繁出现程序跑飞，系统复位。

采用CPLD器件可减少系统受干扰的几率，显著提高系统的可靠性。

该系统要求进行高速的数据采集，用普通单片机难以实现。

所以，我们使用方案2实现数据采集电路。

3系统电路设计

本章主要介绍该系统的电路设计。

详细论述了系统各个模块设计方案，包括相关芯片的选择、电路连接、接口设计、电源设计等。

系统框图如图3.1所示：

图3.1系统框图

3.1AD转换器介绍以及电路连接

AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。

AD进行数据采集有两个主要过程：

采样和量化。

采样是指每隔T秒所记录的x（t）的幅值。

设x（t）是模拟信号，将采集到的幅值用x（kt）表示，其中k表示数据序列中的采样位置，k=0,1,…N-1，（N是数据序列总的采样数）。

T称为采样间隔，采样频率为1/T（Hz）。

AD采样时必须满足采样定理