数据采集卡课程设计.docx

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数据采集卡课程设计

第一章绪论

2

1.1设计目的

2

1.2原理设计

2

1.3绘图设计

2

第二章课程设计内容基本要求

3

2.1设计要求

3

2.2数据米集卡的功能

3

2.3数据采集卡的系统原理

3

2.4数据采集卡系统的硬件结构

4

第三章元器件介绍

5

3.187C51单片机

5

3.24051多路选择

5

3.3ADC0820模拟数字转换器

6

3.4DS1248数据存储器

6

3.5MAX232芯片

7

3.674LS373锁存器

8

3.774LS139译码器

9

第四章设计原理

9

4.1设计思路

9

4.2工作原理

12

第五章原理图和PCB图的绘制

12

5.1原理图绘制

12

5.2编译及网络表的生成

14

5.3PCB图的绘制9

15

5.4原理图中错误

16

课程设计心得

17

附录18

第一章绪论

1.1设计目的

电子线路CAD课程设计是电子设计自动化的后续实践环节。

通过本课程设计，帮组学生进一步领会和深化课堂上学到的有关电子线路CAD设计的基本概念、基本原理,掌握原理图绘制，PCB设计的基本操作方法。

通过电子线路CAD课程设计，加强学生的实际动手能力、分析问题与解决问题能力，培养学生创新意识，为毕业后从事硬件电子线路系统设计方面的工作打下坚实的实践基础。

电气制图与电子线路CAD课程设计实际上是通过EDA技术用现代化得设计方法和手段设计由若干单元电路构成的小型电子系统，也就是说，学生在这一过程中要根据每个课程设计题目所给定的总体要求，独立设计、绘制和仿真电路，去实现设计任务做要求的小型电子系统。

通过这种综合性训练，要求学生达到以下目的和要求：

（1）结合课程中所学的理论知识，独立设计方案。

（2）学习查阅相关手册与资料，通过查阅手册与文献资料，进一步熟悉常用电子器件及其特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力。

（3）学会使用常用电子器件（包括中规模芯片、专用芯片和可编程器件）。

（4）掌握基本的现代电子技术设计工具和EDA技术。

（5）熟悉电路板的加工工艺。

（6）认真撰写课程设计报告，培养严谨的作风与科学的态度。

1.2原理设计

根据功能要求考虑数据采集卡系统设计方案，设计出系统原理图，并进行参数计算和元器件选择，说明电路的工作原理。

1.3绘图设计

1）画出完整的原理图。

2）ERC电气规则检测。

3）生成网络表及元器件清单。

4）画出所设计电路的PCB图，包括规划PCB板子大小，元器件布局以及布线，布线方法可根据具体情况使用自动布线（手工调整）或者手工布线两种不同的方式。

5）根据具体情况进行电路仿真：

仿真参数，类别，结果，仿真中出现的故障，原因以及排除方法。

第二章课程设计内容基本要求

2.1设计要求

设计一块三通道数据采集卡，该数据采集卡可以把外部加速、加速度或压力等传感器输出的电量信号转换成电压信号，并采集存储到相应的三篇数据存储器中，该数据采集卡留有与pc机通信的串行接口，pc可以通过串行口把数据存储器中的数据读入到PC机.。

2.2数据采集卡功能

数据采集（DAQ）,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。

数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号，包括对其进行增益或衰减和隔离，放大,

滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号。

数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USBPXI、PCI、PCIExpress、火线（1394）、PCMCIAISA、CompactFlash等总线接入个人计算机。

数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。

数据采集卡能够完成以下的一些功能：

1、能够采集五路模拟量；2、能够采集四路开关量；3、将采集到的数据进行处理并存储；4、能够显示环境温度和开关状态；5、通信功能，同步通信。

2.3数据采集卡的系统原理

运行时的数据并送给pc机，通过运行在pc机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。

当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。

这样就存在系统安全性差的问题。

这对于稳定性、实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的，因此有必要引入嵌入式操作系统。

下面以卩C/OSII为操作系统平台，基于ARM7系列处理器，对一种高性能的数据采集系统开发进行探索。

应用时，数据采集系统置于被监控的设备处，通过传感器对设备的电压或者电流信号进行采样、保持，并送入A/D转换器变成数字信号，然后将该信号送到FIFO中。

当FIFO中存放的数据到了一定数目时，由ARM7从FIFO中读出，然后通过ARM7的以太网接口或者RS232送给上位机。

考虑到要监控的设备可能会很多，所以设计了多路采集通道，他们经过模拟开关后再进入A/D转换器。

CPLD是整个系统的控制核心，他控制采集通道的切换、A/D转换器的启/停、转换后的数据在FIFO中的存放地址发生器、产生中断请求以通知ARM7读取存放在FIFO中的数据等。

2.4数据采集卡系统的硬件结构

该系统采用了Samsung公司的S3C4510B作为系统与上位机沟通的桥梁，S3C4510B是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器，他有如下

几个主要特点：

硬件方面内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRIS处理器核，ARM7TDM为低功耗、高性能的16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。

S3C4510B通过在ARM7TDM核内容基础上扩展一系列完整地通用外围器件。

片上资源包括2个带缓冲描述符（bufferdescriptor）的HDLC通道；2个UART通道；2个GDMAS道；2个32位定时器；18个可编程的I/O口。

还有中断控制器；DRAM/SDRA控制器；ROM/SRAM口FLASH控制器；系统管理器；1个内部32位系统总线仲裁器；1个外部存储器控制器等片内的逻辑控制电路。

这些为卩C/OSII的移植提供了优良的物理资源。

软件支持方面他有配套的代码编辑调试环境ADS12和JTAG在线调试功能，使

S3C4510B芯片软件可以直接用C编写，这就使卩C/OSII的植入成为可能。

12位高速A/D转换电路采用AnalogDevices的AD574,该电路输出具有三态

锁存功能。

预处理电路包括了电流电压互感器、隔离电路和同步采样电路，他可

以将信号转换成与AD574相匹配的量值，供后续处理。

通讯电路采用常用的以太

网接口与上位机相连，而232接口可作为备用，这样该装置既可作为便携式系统

使用，也可通过网络来对设备实施实时监控。

第三章元器件介绍

3.187C51单片机

单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

目前我国主流的单片机系列有80C51系列，PIC系列，AVR系列等。

87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。

。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kBEPROM。

87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。

此外，87C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟

振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。

图3.1.187C51封装形式

F10

Pl.I

P1.2

P13

F14

PL.5

P16

F17

RESETRMD/P3.QTO/P3.1fBT0/P3.2IHli/FS.3

T0/P8.4

T1/F3.5国Pg,6

BS/P3.7

XTAL2

XTALi

PEIPVss

1

J740

2

39

3

38

4

3T

5

36

35

7

34

8

33

9

我

10

31

11

30

12

29

13

28

14

27

1S

沾

16

25

IT

24

1®

23

13

22

20

21

1Vce

3FO.O/ADQ]PO.1/AD1

1FO2/AD2

3PQ.3/AD?

|PO.4/AD4

]PO.5/AD5]PO6/AD6JPp.t/adt

JEA/Vpp

]m/PMtHFSEH

JP2,7/ADI53P2.6/AD141P2.5/AD13

3P2.4/ADl^

9F2.3/AD11

pP2.2/AD1O

JP2.l/AD^JF2.C/ADS

图3.1.287c51引脚说明

3.24051多路选择

CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5〜20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，贝U0〜5V的数字信号可控制-13.5〜4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和

VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输

入端二“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该

输入端至输出。

CD4051引脚功能说明nEa838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

CD4051引脚功能说明

引脚号

符号

功能

1，2，4，5，12，13，14，15

IN/OUT

输入/输出端

9，10，11，

A，B，C

地址端

3

OUT/IN

公共输出/输入端

6

INH

禁止端

7

VEE

模拟信号接地端

8

Vss

数字信号接地端

16

VDD

电源+

「灯數卅世择

X.YX;XI\E

丄」Y片选

IfO1廿1I/O

图3.2.14051引脚说明

3.3ADC0820模拟数字转换器

ADC0820BCN,是一个8-Bit高速pP兼容型，内带时钟，带锁存的三态输出，带追踪/保持功能的模拟数字转换器。

通过ADC将由多路选择开关4051选择的信号转换成数字信号，再由单片机将A/D转换的数据通过数据线送入数据存储器。

J+VREF

3-VHEF

VIN匚DBO匚

DB1匚

DB2匚

DB3匚WR/RDYC

空匚

RDL1NT匚

GNDr

D

DB7

DB6

ADC0820引脚图

3.4DS1248数据存储器

DS1248是1024k非易失SRAM,带有隐含时钟。

在电路中作为存储器扩展芯片用,储存单片机数据总线和地址总线输出的数据和地址内容，总共包含有六根数据总线，

17根地址总线。

在任何情况下为负undershoots任何幅度，允许当设备在电池备份模式。

EnupiulattdDIP（740>4nilFlush^

图3.4.1DS1248芯片引脚

3.5MAX232芯片

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。

符合所有的RS-232C技术标准，只需要单一+5V电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，并且功耗低，典型供电电流5mA，内部

集成2个RS-232C驱动器、两个RS-232C接收器，高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

C1+

1

*2

je]Ycc

V+

2

卫GND

C1-

T

nHOUT

C2+

4

MAX202E

同RUN

曲如E

C2-

5

12RI0U1

V-[T

1111IN

120UT

7

10T2N

1QN

8

~R20LT

图3.5.1MAX232芯片引脚图

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产

生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据

通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R10UT、11脚（T1IN）、14脚（T10UT为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R20UT、10脚（T2IN）、7脚（T20UT为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUTT2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUTR2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND16脚VCC（+5v）。

3.674LS373锁存器

74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器,

在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74IS373芯片。

373为三态输出

的八D透明锁存器,共有74S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）:

1）373的输出端OO-O7可直接与总线相连；

2）当三态允许控制端OE为低电平时，OO~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，OO~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

3）当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

4）当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

5）引出端符号：

引脚号

符号

功能

3,4,7,8,13,14,17,18

D0〜D7

数据输入端

1

OE

三态允许控制端（低电平有效）

11

LE

锁存允许端

2,5,6,9,12,15,16,19

O0-O7

输出端

10

GND

接地

o

LATCH

⑪

©

IDO

Ud-

G

1

Di

-D.

De

一o.

G

-J

o

Id-

Ld

G

-h

o^>

74LS373内部结构图

Vcc°7°?

°6°5Qs旦_L£

|即||旧iiI而I的iiinidiiuirrii竹I

nnULULsJLDlLnZILdOJUD

CEOgDqD]0）O2DjDjOj侏C

74LS373引脚图

3.774LS139译码器

74LS139为两个2线—4线译码器，共有54/74S139和54/74LS139两种线路结构型式，当选通端（G1）为咼电平，可将地址端（A、B）的二进制编码在一一

个对应的输出端以低电平译出。

若将选通端（G1）作为数据输入端时，139还可

作数据分配器。

1GU

IA匸

IB匚!

Y0UEYl匸!

Y2U1Y3CGNDC

174LS139的实物图

1J/1£口VCC

51502G

3Up2A

47ILS139门b曲

274LS139的引脚图

第四章设计原理

4.1设计思路

4.1.1运算放大电路和多路开关选择电路设计

信号在传递过程中需要将其放大后再进行传输，防止信号传递过程的消耗而无法的到与原信号想对应的数字信号。

选用电荷放大器将采集到的信号无失真的放大，再传输到数据选择器中。

要求设计的为一个三通道的数据采集卡，则此电路应由三个通路的电荷放大器组成。

放大后的信号需要进行选择之后，再传输到模拟数字转换器中,经过多路选择开关4051分别进入ADC0820。

具体电路如图4.1.1所示：

4.1.2A/D转换电路

通过ADC0820模拟数字转换器，来完成将多路选择开关选择出来的有用模拟信号转变为数字信号。

便于数据内容和地址内容的存储。

转换后的数字信号会送入单片机中，但由于单片机内存有限，需要对其进行外部扩展。

用内存为1024KB的DS1248数据存储器SRA號成扩展。

用锁存器74LS373来完成单片机P0口的数据和地址总线的分时复用。

74LS139译码器的输出做片选信号控制

DS1248将采集到的数据内容和地址内容分别存入数据存储器中。

具体电路如图4.1.2

所示：

ZTT

*

4

-Vfc

-

Hf

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岂»

—X

.-*4M

■

B

Ijm

r:

:

:

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!

兰去二:

:

薛s二

套一

图4.1.2扩展电路

一二pp■「一：

a:

w=-

-V二-一二p:

rd■

4.1.4接口电路设计

AT87C51单片机通过串行口与PC相连，数据采集完毕后，三片数据存储器中的数据可以分别通过串行口传输到PC上,然后进行信号处理以及分析，该数据采集卡可以作为野外便携式数据采集之用。

具体电路如图4.1.3所示：

4.2工作原理

一块三通道数据采集卡，U1、C1、R13等构成第一通道的电荷放大器，U2、C2、R14等构成第二通道的电荷放大器，U3、C3、R15等构成第三通道的电荷放大器，电荷放大器的作用就是把外部传感器的电量信号转变成电压信号，随后信号经过多路选择开关4051分别进入ADC0820转换器进行数据转换，数据采集卡的微处理芯片采用AT87C51单片机，单片机把A/D转换数据通过数据线送入数据存储器，AT87C51单片机通过串行口与PC相连，数据采集完毕后，三片数据存储器中的数据可以分别通过串行口传输到PC上,然后进行信号处理以及分析，该数据采集卡可以作为野外便携式数据采集之用。

第五章原理图和PCB图的绘制

5.1原理图绘制

打开ProtelDXP2004后，在File菜单下选择New—>Project—>PCBProject，即创建了一个PCB项目文件，并保存名为pro2.PrjPCB。

继续在File菜单下选择New—'Schematic，即创建了一个原

理图文件，并保存为sheetl.SchDoc。

-嘶FTBPROJECT2.PRJPCB

-―IScuresDocuments

】PCB_ProjectZ,PRJPCB-旨

JMcuSchDoc

-1SourueDocunrimn怆口•

^tfPCBZPCBDOC"

F匸Libraries

图表3创建的文件列表

5.1.1电路原理图设计的一般步骤

电路原理图设计是整个电路设计的基础，一般电路原理图设计的步骤为：

1）启动ProtelDXP电路原理图编辑器，建立一个项目，并且接下来相关原理图设计，元件库设计，PCB图的绘制都在这个项目中进行。

2）设计电路原理图图纸大小及版图，即根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大

小、方向、网格的大小及标题栏等。

3）放置元件。

用户根据实际电路的要求，将元件从元件库中找出并防止再图纸上。

用户根据需要对元件位置进行调整和修改，并对元件的编号、封装等属性进行设置。

4）原理图布线。

用户利用ProtelDXP提供的各种画图工具和指令将元件用导线连接起来，构成一个完整的电路原理图。

5）检查原理图。

原理图绘制完成后，利用ProtelDXP提供的电器规则检查功能，检查原理图的连接是否正确，若有错误则对电路图进行修改。

6）生成网络表。

5.1.2元件库的设计

在这次设计中，有些元件没有元件库，如LF351、87C51、MAX232我们必须自行

设计元件的引脚图以及其封装形式。

在File菜单下选择New—>Library—'SchematicLibrary，即创建了一个元件库文件。

在绘制好其元件库后，还需要匹配对应的元器件封装，可以在系统自带的PcbLib中进

行匹配，也可以自行绘制其元件圭寸装，方法如下：

在File菜单下选择New—'Library

—>PCBLibrary，即创建了一个PCB库文件，在此文件中，利用PCB元件向导（在Tools菜单下PCB->NewComponer）完成DIP40或者是DIP24的引脚圭寸装。

完成所有的圭寸装绘制后，命名并保存。

在元件库中可以对元器件添加属性，右键选择ModelManager，

选择AddFootprint，选择对应的引脚封装形式即可。

这样，完成了元件库以及元器件的封装绘制，并联系了两者的对应的关系。

以MAX23为例说明：

（1）点击File级联菜单中的SchematicLibrary命令，可以建立一个新的原理图元件库，默认库名为Schlibl.Schlib。

例如在原理图中自行封装的MAX232芯片：

图5.1.1MAX232芯片的引脚说明

（2）元件库设计好了之后需要对其进行引脚的封装。

点击File级联菜单中的PCB

库，对设计好的芯片进行封装。

可选择元件向导，由软件按照一定的规律绘制出封装，也可以自行绘制适合的封装形式。

例如上AX232芯片的封装形式为：

图5.1.2MAX232芯片的封装形式

封装完成后，需要将此芯片的引脚封装追加到该芯片的引脚设置中，才能完成元件库中一个芯片的完整设计。

如图，完成装形式的追加。

图5.1.3芯片封装

5.1.3完整原理

完整的数据采集卡原理图见附录二

5.2编译及网络表的生成

首先经过编译检查电路图中是否有错误出现，若没有错误出现，则可以进行对电路图生成网络表，方便工程生产。

编译好项目，没有错误之后，点击Design/Netlist/Protel菜单选项，系统将自动生成与项目文件同名的网