多路数据采集系统毕业设计.docx

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多路数据采集系统毕业设计

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第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

数据采集是指将位移、流量、温度、压力等模拟量采集、转换成数字量后,再由计算机进行存储、处理、显示或打印。

数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分,信号处理技术、计算机技术,传感器技术是现代检测技术的基础。

数据采集技术则正是这些技术的先导,也是信息进行可靠传输,正确处理的基础。

在工业生产中,对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,这样能提高产品的质量、降低成本。

在科学实验中,对应用数据进行实时采集,这样获得大量的动态信息,是研究物理过程动态变化的有效手段,也是获取科学奥秘的重要手段之一。

设计数据采集系统目的,就是把传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号,并把数字信号送入计算机,计算机将计算得到的数据加以利用观察,这样就实现对某些物理量的监视,

数据采集系统性能的好坏,取决于它的精度和速度,在精度保证的条件下提高采样速度,满足实时采集、实时处理和实时控制的要求[1]。

数据采集常用的方式有在PC机,也可以在工控机内安装数据采集卡,如RS-422卡、RS-485卡及A/D卡;或专门的采集设备,包括PCI、PXI、PCMCIA、USB,无线以及火线FireWire接口等,可用于台式PC机、便携式电脑以及联网的应用系统中[2]。

数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非成熟人员进行操作,并且测试任务是测试设备高速自动完成的。

近年来,数据采集及应用受到了人们越来越广泛的关注,数据采集系统也有了迅速的发展,数据采集系统也朝着微型化、小型化、便携式,低电压、低功耗发展。

当前市场出售的小型数据采集器相当于一个功能齐全计算机。

这些数据采集器功能强大,能够实现实时数据采集、处理的自动化设备。

具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能[;不仅能保证现场数据的实时性、真实性、有效性、可用性,而且能很方便输入计算机,应用在各个领域。

所以根据当前数据采集发展的实际需求,研制开发符合生产需要的多功能智能化的数据采集器意义重大。

1.2国内外数据采集研究现状与问题

1.2.1国外信号采集系统研究的现状与问题

数据采集系统它起始于20世纪中期,在过去的几十年里,随着信息领域各种技术的发展,在数据采集方面的技术也取得了长足的进步,采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。

数据采集系统应用于工业、农业等各个领域,并广泛应用于工业生产的控制,国内外许多技术公司和科研单位都在积极研制,国外的数据采集器的研制已经相当成熟,而且种类不断增多,性能越来越好,功能越来越强大。

目前国外许多科研单位和技术公司都在积极研制便携式数据采集系统。

市场上较早出现的具有代表性的万次/S。

主要有:

美国PASCO公司生产的"科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统,它由3个部分组成:

（1）传感器:

利用先进的传感技术和实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据;

（2）计算机接口:

将来自传感器的数据信号输入计算机,采样速率最高为25万次/S;（3）软件:

中文及英文的应用软件。

还有美国Fluke公司生产的Hydra系列便携式数据采集器:

Hydra系列有三种型号,可满足不同的应用需要。

2620AHydra数据采集器是和PC配合使用的紧凑式前端;便携式的2625AHydra数据记录器内置有非易失存储器,可以保存多达2000次的扫描数据,用于独立式的应用;2635AHydra数据采集器具有可插拔的存储卡,可以保存数据和设置,是最为通用的型号-非常适宜于远程监控等应用。

又如TEMPRO天正通大气环境部开发的CR23X微数据采集器,美国QUATRONIX公司生产的WAVEBOOK高速便携数据采集系统等。

这些采集系统有一个共同点,和PC机的通信时几乎都采用RS-232口,虽然它们自身带有存储器,但存储容量都不大。

近年来,国外市场上又出现了美国CASIO公司的CASIODT-30O、OceanOptics公司的ADCIO00-USB等采用USB接口的便携式数据采集器。

国外产品虽然进入我国市场较早,但就当前市场而言,并没有占据市场的主要份额,主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使其推广受到限制[5]。

1.2.2国内信号采集系统研究的现状与存在的问题

由于信号采集系统在现代科技发展中的重要地位逐渐被人们所认识,国内研究单位和公司也逐渐开始信号采集系统的研究和发展。

如我国数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统近年来,又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。

又如北京优采公司的UA5OO系列、郑州科诚自动识别设备公司的NLS-P、T-90O系列便携式数据采集器等。

国内这些产品价格优势占据市场主导,但是与国外同类产品相比,国内便携式数据采集器性能指标还有较大的差距,这主要表现在以下几个方面:

（1）我国部分产品仍采用的是USB1.1协议,而国外产品则早已采用USB2.O规范;

（2）存储容量小,软件功能不够完善,使用不够方便。

（3）数据采集频率低,精度和分辨率低,数据处理能力差;

为此,国内各科研单位及厂家正积极追赶国外最新技术,不断提高数据采集器的产品的性能,并力争使成本比国外同类产品低,为国内测控事业的用户提供高品质的选择[5]。

如九纯健科技公司的JCJ708数据采集器采用先进的微电脑技术及芯片,性能可靠,抗干扰能力强,与各类传感器、变送器配合使用,可对多路温度、湿度、压力、液位、流量、重量、烟感报警、红外探测器报警、等工业过程参数进行多路检测、数据采集及通讯。

JCJ708B数据采集器通过标准RS232或RS422、485通讯口,可直接连接计算机通讯,通讯波特率及地址出厂时根据用户要求定好（默认波特率为9600,通讯协议为MODBUS-RTU）,用户无需对数据采集器进行复杂设定,接上线就可用,使用方便。

技术参数:

误差:

测量精度:

0.2%FS±1个字变送精度:

0.2%FS±1个字

输入信号:

电流0-10mA4-20mA电压0-5V1-5V无源开关量信号

通讯输出:

1、隔离串行双向通讯接口RS4852、隔离串行双向通讯接口RS232

通讯协议:

标准MODBUS-RTU九纯健科技定制通讯协议

供电电源:

交流85-265VAC50HZ/60HZ直流24VDC直流12VDC交流24VAC交流12VAC其他定制

功耗:

≤4W

规格:

标准35mm导轨安装

工作环境:

温度0-60℃;湿度85%RH

第二章数据采集系统方案

数据采集系统包括模拟信号的输入、转换及处理。

模拟信号变成数字形式后顺序存储、传输、处理和显示。

数据收集的基本手段是模数转换,它是将来自各式各样传感器的模拟量实时地、准确地测量或汇集起来,送入计算机实时处理,并输出相应的控制信号以实现对物理系统的控制或记录,而一个完整的数据采集需要包括硬件和软件两部分组成。

2.1方案框图

2.1.1硬件部分

（8路信号源）

图2.1硬件系统框图

如图2.1所示,整个硬件系统主要由传感器、放大电路、多路开关、采样/保持器、AD转换器、按键、存储、时钟、USB、I/O扩展、单片机等部分组成。

其中采样/保持器、AD转换器及单片机是使用一个处理器芯片MSP430F149来实现的。

系统主要完成的功能有:

对微弱信号的放大、滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成AD转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD转换、数据存储、数据收发等,其中单片机与PC的通信采用USB标准。

2.1.2软件部分

图2.2软件大体框图

如图2.2所示,软件部分控制数据处理,当数据过来以后,由A/D转换程序控制进行A/D转换,既可以交于液晶处理显示也可以通过存储程序将数据保存起来,如需将数据上传再通过USB传输程序控制进行数据传输。

2.2模块选择

本系统将采用分时多通道采集结构来进行数据采集。

图2.3分时多通道采集结构

如图2.3所示,该系统采用方时分轮转式,可方便的用增加多路开关的方法来扩充模拟信号通道数。

输入的模拟信号经放大滤波后,送入多路开关MUX,在CPU的控制下某一通道被选通,进人后级缓冲放大器或采样保持器,再送人A/D转换器完成模拟信号到数字信号的转换,转换结果为数字量并送入CPU处理。

第三章系统硬件设计

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,各种专用功能的模拟、数字混合集成电路应运而生,单块芯片上通常集成了多个功能模块,简化了设计过程,缩短了研制周期,并使系统的稳定性加强。

本设计采用了最新集成电路技术,借助单片机、微机、数据采集技术和现代通信技术,设计了一种体积小、功耗低、存储容量大、转换速率高、集成化程度高和适用于各种信号的通用数据采集系统。

3.1各硬件电路设计

数据采集系统由信号采集电路、放大电路、多路开关、AD转换电路、单片机、时钟、存储、USB等部分组成。

3.1.1放大电路

在各种工业自动化控制系统中,一般都有传感器精密测量放大电路、AD转换器、微机系统及软件组成,而测量放大电路的精度与稳定性对整个系统的性能起着至关重要的作用。

测量放大电路应是一种高输入阻抗、高电压放大倍数、高信噪比、低零点漂移的放大电路。

ICL7650斩波稳（将一种直流电变为另一直流电）零单片集成运算放大器DIP-14双列直插封装是美国Intersil公司利用其特有的CMOS双极型绝缘栅场效应管电路设计技术和先进工艺研制成功的第四代集成运算放大器。

它具有以下主要特点:

输入失调电压-温度漂移0.01μVP℃,时间漂移100nVP月;输入偏流≤10pA;开环增益≥120dB;转换速率215VPμS;单位增益带宽达2MHz;运算时具有内部补偿;输入P输出端仅有极小的斩波尖峰泄漏;具有内调制补偿电路。

若将ICL7650用于设计高精度、高放大倍数的放大电路,必须选用噪声比较低的高性能稳压电源依据运算放大器的原理:

反相KVR2/R1;同相KV1+R2/R1。

ICL7650具有≥130dB的共模抑制比,具有很高的抗干扰能力。

ICL7650的电源电压范围±3V~±8V这可采用微型计算机的电源电压±3V。

记忆电容采用温度漂移最小的高阻抗金属聚脂电容CaCb0.1μf。

输出端连接RCR100KΩ,C1μf低通滤波器,有效滤除微小的尖峰脉冲。

为进一步保证放大电路的精度,两比例电阻应选用温度系数较小的精密电阻,其阻值R2和R1应在±0.01%的误差范围[4]。

放大具体电路如图3.4其中R1为1KΩ,R2为100KΩ,放大倍数AR2/R1100。

图3.4放大电路

3.1.2低通滤波电路

根据采样定理,最低采样频率必须是信号最高频率的两倍。

如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分,采样后的信号将发生畸变。

这种信号畸变叫做混叠allas。

一旦完成信号采样,这些信号混叠到有用信号的频段,就无法从有用信号中移除这些频率成份。

混叠现象会严重影响数据转换系统的性能指标,所以在设计含有ADC的系统时,必须在转换器前使用一个低通滤波器,以确保高于奈奎斯特频率的噪声被足够的衰减,不会出现在采样后的信号中。

这个低通滤波器称为抗混叠滤波器。

选用TI公司的THS4052。

它是一种70MHz低成本高速电压反馈放大器。

工作电压可设为士5V,失真度、转换速率、稳定时间都能满足要求。

THS4052的性能指标:

（1）高速:

70MHz带宽G1,-3dB,240V/us转换速率,60ns稳定延迟时间0.1%。

（2）高输出驱动,Iol00mA典型值。

（3）优良的视频性能:

30MHZ的0.1db带宽G1,0.01%的增益误差,0.01度的相位误差。

（4）极低的失真度:

THD-82dBcf1MHz,RL150,THD-89dBcf1MHz,RL1k。

（5）极宽工作电压范围:

Vcc士5v到士15v[3]

抗混叠滤波器电路及幅频特性:

图3.1滤波电路

低通电路设计为12dB/OCT的巴特沃次最平坦特性滤波器,对频率高于31.25KHz的信号滤波。

电路截止频率为fL1/2R1C131.25KHz,,Q值为0.5。

利用仿真软件对图的电路进行仿真,可以得到其幅频特性曲线见图3-2,由图可见,该低通滤波器特性良好。

图3.2滤波特性

一片THS4052内是双通道输入,因此8路模拟信号通道输入需要4片THS4O52构成8个低通滤波器。

滤波实际电路连接如图3.3:

图3.3滤波实际电路

3.1.3通道切换电路

本设计中,需要对输入的8路模拟信号进行实时数据采集,一般有两种方案:

1.采用8片ADC器件,每路模拟输入分别对应一片ADC,由系统软硬件控制各ADC同步工作。

2.采用1片ADC器件,各路模拟信号分别经低通滤波后由多路开关选择其中一路送ADC,由MSP430控制多路开关切换,使ADC依次完成对各路数据的采集。

方案1属于同步采集,采样迅速稳定。

但是外围电路庞大,占用较大的电路板空间,成本高。

方案2属于分时采集,共用一个ADC,各路之间是通过模拟开关进行切换,使用的器件少,成本低,简化制作PCB板和布线过程。

根据本系统设计要求,选用方案2,如图3-5输入通道的切换是通过采用高速八选一模拟开关74HC4051实现的。

74HC4051相当于一个单刀八掷开关,输入8路信号X0一X7。

每次X0一X7中只有一路输入信号送到输出端X。

EN是使能端,当EN1时,各通道均不接通。

所以EN接地。

此外,74HC4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,不使用时接地[4]。

图3.5通道切换电路

引入模拟开关后,应注意时序的配合。

8选1开关的模拟信号的延迟时间为10ns,即模拟输入到模拟输出的延迟在通道没有切换时,这实际是该器件可以工作的带宽。

模拟开关从第1路通道切换到第8路通道需要的总的转换时间是8*10一80ns,即便是工作在最高采样频率500Khz下,对应一个采样周期为2us,所以在发生一次采样后到下一次进行新的采样之前,输入信号有足够的时间传输到达数据总线上。

3.1.4存储接口电路:

由于系统采集的数据与系统参数必须存储,这些参数必须是非易失性的,即掉电后仍能保存。

基于以上考虑,我们选择了带有I2C的EEPROM系列存储24LC256,24LC256EEPROM采用CMOS加工工艺,正常工作电压2.5~5.5V,存储容量为32KB,具有较强的抗干扰能力,功耗低,可断电保存数据200年以上,擦写次数最少10万次,过压保护电压大于4000V。

可进行多达8个24LC256芯片的存储容量扩展,即最大存储器容量可扩展为256KB[5]。

当然,也可根据实际需要而定,具体应用电路如图3.6所示。

引脚功能:

（1）对于片选地址输入引脚A0、A1或A2由微控制器或者其他编程器件控制的应用,必须在器件正常继续工作之前驱动为逻辑“0”或者“1”。

（2）SDA串行数据引脚为双向引脚,用于把地址和数据输入/输出器件,该引脚为漏极开路。

因此,SDA总线要求在该引脚与VCC之间接入上拉电阻,对于正常的数据传输,只允许在SCL微低电平期间改变SDA电平。

（3）SCL串行时钟,该引脚用于数据传输同步。

（4）WP写保护引脚,该引脚连接在Vcc上,写操作被禁止,但读操作不受影响。

Vcc电源输入引脚,在Vcc低于1.5V时,则Vcc?

值检测电路会禁止内部的擦写逻辑

图3.6存储电路

3.1.5时钟日历芯片接口电路

数据采集系统另一个重要数据是时间,上位机在提取多路信号时,同样也可提取时间信息作为参照坐标。

系统采取了以下几种措施保证其可靠性。

1）时间信号必须由一个可靠的时钟源产生;

2）时钟芯片具有掉电保护的电路,以确保当电源突然断开,时间数据不丢失;

3）上位机具有对下位机的时钟进行校准功能,当发现时间数据丢失时可立即对其重新赋值。

本系统中我们采用PCF8583带有256个字节的时钟/日历芯片,PCF8583是一款带有256个字节的时钟/日历芯片,地址和数据通过I2C总线传输。

在每次对数据字节的读或写操作后,内建的字地址寄存器自动增加。

地址管脚A0用于编程硬件地址,这样在不增加硬件的情况下允许将两个器件连接到总线上。

内置的32.768KHz振荡器和RAM的前8个字节用于时钟/日历和计数器功能,接下来的8个字节可作为报警寄存器或当作RAM来使用,剩下的240个字节都作为RAM由用户自由支配[6.7]。

PCF8583I2C特性总线接口操作电压:

2.5~6.0V,时钟操作电压:

1.0~6.0V0~70℃;240×8位低电压RAM;数据保持电压:

1.0~6.0V;操作电流（fSCL0Hz）:

最大50mA;通用定时器,带有报警和溢出指示;24或12小时格式;32.768KHz或50Hz时间基准;串行输入/输出总线（I2C）;可编程报警、定时、中断功能;OSCI为振荡器输入,OSCO为振荡器输出。

SDA是串行数据I/O,SCL串行时钟输入。

INT中断引脚。

PCF8583应用电路如图3.7

图3.7日历时钟电路

3.1.6液晶显示接口电路

液晶显示选用在3V电压下工作的自带控制器的点阵式液晶图形显示模块MOBI2007,它具有体积小,厚度仅为2mm,价格低、使用方便等优点,特别适合于数字化仪表、便携式仪表、及智能化家电和嵌入式应用系统中,它的核心是其内部自带的专用控制器KS0724。

KS0724是一种小型的大规模集成并带有驱动器和控制器的点阵型液晶模块。

它的外观尺寸为42mm×39mm,有31个外部引脚。

它直接受单片机控制,接收8位串行或并行数据,同时可将数据显示,并将数据存储在模块相同的数据存储器中（DDRAM）。

由于DDRAM中的数据显示单元与液晶屏的点阵单元存在一一对应关系,并且KS0724液晶模块数据的读写操作不受外部时钟的控制,因而KS0724的显示具有很高的灵活性[9]。

KS0724液晶模块带有液晶必需电源驱动电路,这样可用最小的元件和最小的功耗实现模块的功能。

KS0724液晶模块的主要结构:

（1）显示数据存储器（DDRAM）

DDRAM用来存放液晶的显示数据,它是一个65行132列的地址空间。

65行构成了9页,其中前8页是由8列构成（DB0~DB7）,第9页是单独一行（只有DB0）。

显示数据DB0~DB7通过单片机的数据口送入,并通过DB0~DB7直接读或写到每页对应的8行,同时每一点阵可通过确定页地址和列地址来确定位置。

在向DDRAM中写数据的同时,液晶屏上对应的点阵被显示。

（2）页地址电路

页地址电路的功能是为显示数据存储器提供页地址。

页地址的确定是通过页控制字送到一个4位的页地址寄存器中来实现的,例如,第8页,DB3为高电平时,DB2、DB1和DB0为低电平。

（3）行地址电路

行地址电路根据显示起始行（COM0）为DDRAM提供行地址,因此通过改变行地址,可在不改变片内RAM的情况下滚动屏幕和切换。

页地址的改变是通过行地址寄存器实现的。

它只通过初始显示行指令和6位的计数电路来改变。

寄存器的内容在液晶开始每一帧时自动复制到行计数器中。

（4）列地址电路

列地址电路为DDRAM提供列地址。

它有一个8位的可预先设置的计数器,当设置列地址的MSB/LSB指令发送后,Y7~Y0就被更新（详见控制字说明）;当有读或写指令时,列地址会每次相应加1,这样单片机可以连续地传送显示数据。

但是,8位的计数器在没有设置MSB/LSB时处于锁定状态,此时它的锁定值为大于84H的任意数,并且不能实现自动增加的功能。

一旦MSB/LSB经再次设定,计数器才可解锁。

列地址计数器相对于页地址寄存器是独立的。

液晶显示电路

液晶显示电路具有1个片内振荡器,振荡频率独立于VDD。

振荡器的输出信号用于电压转换和液晶显示的定时产生电路,定时产生电路一些信号用于液晶的显示。

液晶显示的时钟信号是通过振荡时钟产生的,这一时钟信号为行计数器和显示数据锁存器提供了时钟信号。

片内RAM的行地址与液晶显示时钟信号同步产生,并且132位的显示数据根据显示时钟信号同步锁存到显示数据锁存电路中。

把显示数据从锁存电路中读出送到液晶驱动器中的操作完全独立于单片机向DDRAM中读写数据的操作。

液晶接口电路如图3.10所示,采用串行接口,节省了I/O口,其中V0、V1、V2、V3、V4、Vss这些电压的值取决于用于LCD点阵的阻抗转换运放,它们关系为:

V0≥V1≥V2≥V3≥V4≥Vss,只有当液晶被驱动工作以后才有上述关系,此时可以调节V0为2~5倍的电源电压,其取值决定于LCD的偏压,由内部电阻Rb与Ra之比,所以可以通过测量Vo值就可以知道液晶是否被驱动起来。

图3.8液晶显示电路

3.2MSP430F149电路设计

3.2.1微处理器的选取

作为测控系统的核心部件,处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。

面向工控领域的单片处理器,目前广泛应用的有51系列的8位单片机,面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器DSP,以及目前市场上增强型的16位单片机。

51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器,其开发技术成熟,应用广泛,不足之处在于功能过于简单,已经不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求。

DSP器件在工控领域的应用,从长远的观点来看是一个必然的趋势。

但从现阶段各种DSP器件的情况来看,偏重高端应用领域,其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合,如雷达、多媒体等领域,不适合在仪表领域的使用。

而且目前其价格较高,开发技术难度大。

作为这两种微处理器的一种折衷方案,各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机,这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能,较高的处理速度,大容量ROM和RAM,往往处理器本身就已经一个小系统模式,仅仅需要一些简单电容、电阻元件就可以工作。

其中MSP430系列单片机就是其中的性能价格比较为优越的一款16位单片机[10]。

MSP430系列单片机:

本设计采用了MSP430F149单片机,其CPU设计成适合各种应用的16位结构。

它采用“冯-纽曼结构”,因此,RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间。

多达64KB寻址空间,包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块。

将来计划扩至1MB。

通过堆栈处理中断和子程序调用层次无限制。

源操作数有7种寻址模式,目的操作数有4种寻址模式。

I/O引脚具中断能力,中断优先级对同时发生的中断按优先级别处理,中断程序可以被更高优先级的中断请求打断。

A/D转换器有8个输入端,可作为恒流源。

具有LCD驱动。

下面分别介绍它的内部资源[11]。

1、超低功耗。

当系统时钟发生器基本功能建立之后,CPU内的状态寄存器SR中的SCG1、SCG2、OscOff、CpuOff是低功耗的重要控制位;系统工作模式一共有6种,1种活动模式和5种低功耗模式;可以通过设置控制位使MSP430进入低功耗模式,由中断唤醒CPU,在执行完中断服务程序之后再回到低功耗模式,也可以在执行中断程序的时候间接访问堆栈修改状态寄存器的值,这样中断程序执行完之后就会进入另外一种低功耗模式或者处于活动模式。

2、片上存储器。

芯片上有64KFLASHROM和2KRAM存储器,用于存储程序指令和数据,适合快速的运算。

数据存储区和程序存储区在同一地址空间、统一寻址,通过两条总线?

?

程序总线和地址总线与CPU连接,存储区可以对字操作也可以对字节操作。

程序指令可以加载到RAM中并