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基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计.pdf

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基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计.pdf

第19卷第3期2007年6月海军工程大学学报JOURNALOFNAVALUNIVERSLTYOFENGINEERLNGVOL19JUNNO32007文章编号1009一3486200703一0062一04基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计李庆‘,开科‘,于敬芬21武汉理工大学信息工程学院,武汉430070;2武汉理工大学自动化学院,武汉430070摘要结合CPLD与单片机设计了一种多路高精度数据采集系统,最高可达24位转换精度。所采集数据具备良好的实时性,可采集通道数目多,同时系统具备较强的抗外界干扰能力,结构简单,可靠性好。该系统具有较强的可移植性,能够广泛应用于多路、高精度、低频数据采集的场合。关键词数据采集系统;AD7714;CPLD;单片机中图分类号TP274文献标志码ADESIGNOFAMULTI一CHANNELHIGHACCURACYDATACOLLECTIONSYSTEMBASEDONCPLDANDSINGLECHIPMACHINELIQING‘,QIKE‘,YUJING一FENZ1SCHOOLOFLNFORMATIONENGINEERING,WUHANUNIVOFTECHNOLOGY,WUHAN430070,CHINA;2SCHOOLOFAUTOMATION,WUHANUNIVOFTECHNOLOGY,WUHAN43007O,CHINAABSTRACTBASEDONCPLDANDSINGLECHIPMACHINE,THEMULTI一CHANNEIHIGHPRECISIONDATACOLLECTIONSYSTEMHASBEENDESIGNEDTHEPRECISIONCANREACHTO24BITSITCANBEUSEDWIDELYFORMULTI一CHANNELHIGHPRECISIONDATACOLLECTIONKEYWORDSDATACOLLECTIONSYSTEM;AD7714;CPLD;SINGLECHIPMACHINE目前,应用中的高精度数据采集系统在A/D转换之前有单级或几级前置放大,用于把传感器输出的微弱模拟信号放大到满足A/D转换要求。由于前置放大容易引起低频干扰和放大器漂移,因此系统采集的数据存在一定误差。应用这些系统对多个信号进行采集时,常规思路是使用多路模拟开关来选择需要检测的信号,由MCU控制模拟开关及A/D芯片,完成转换数据的处理。本文基于CPLD复杂可编程逻辑器件与单片机设计了一种多路高精度数据采集系统。CPLD突出的特点是1/0资源丰富,工作频率高。选用单片机作为系统的MCU,可以大大降低系统成本。本设计将CPLD与单片机有效结合起来,采用A/D芯片AD7714实现对航天器燃料箱内的多个参数进行实时、精确的检测。AD7714片内具备模拟前端,传感器信号可直接输人到芯片。由于不需要独立的前置放大和多路模拟开关电路,系统抗外界干扰能力大大提高。该系统结构简单,运行稳定,便于维护。1系统原理本设计中CPLD与单片机一同构成系统的控制核心,整个系统结构如图1所示。在燃料箱内自底部至顶部的垂直高度上,平均划分为16个区段,每一区段设置检测各参数的传感器。由于分段采样,一方面所采集参数的精度将显著提高,另一方面若某区段的传感器发生故障,其它区段的检测仍然可以继收稿日期2006一11一16;修回日期2006一12一26。作者简介李庆196于,女,副教授,硕士。第3期李庆等基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计63续,不会致使系统立即瘫痪。首先,各传感器对参数进行采集,并将其转换为相应的模拟量信号。该信号送人A/D单元实现信号放大,并完成信号从模拟量向数字量的转化。然后,转换得到的多路数字量均送人CPLD中。CPLD一方面对AD7714进行逻辑控制,并接收转换后的数据,另一方面根据单片机的要求将相应通道的数字信号发送到单片机。最后,单片机将CPLD传来的数据传送到上位机,并将上位机要求检测的通道号传递到CPLD。单片机与上位机之间的通信采用串行方式,在保证数据传输速度的同时,有效降低了系统的成本;与CPLD之间采用并行方式,使得数据传输速度和稳定性得到保障。图1系统结构框图2硬件实现2IAD7714AD7714是AD公司生产的24位艺一△串行模数转换器,适用于低频高精度测量,具有完整的模拟前端。从传感器获得的信号可以直接输入芯片,通过编程在片内实现从1至128共8档逐渐倍增的增益放大。该芯片包含8个片内寄存器,其中常用的为通信寄存器、模式寄存器和数据寄存器。芯片上电或复位之后,首先进人写通信寄存器状态,写入的数据决定了对芯片接下来的操作是读还是写,以及对哪一个寄存器进行操作。完成了相应的后续操作,芯片就回到写通信寄存器状态。模式寄存器是8位可读写寄存器,用于设置芯片的工作模式,以及选择对输人信号的增益量大小。滤波寄存器是两个可读写的8位寄存器,用了设置转换数字量的字长16/24位、对模拟量滤波的各项参数等;数据寄存器是一个只读寄存器,可编程为16位/24位宽度,存储芯片最新的转换结果,是否有新的转换结果由芯片的20脚DRDY非是否变为低电平来表示〔‘〕。2ZCPLD在本系统中,CPLD选用ALTER公司生产的MAX700O系列EPM7128SLC84型芯片。该CPLD具有68个自定义的1/0口,PLCC一84封装,最高工作频率可达178MHZ。由于支持ISP技术,对器件逻辑功能的修改和升级非常方便,适用于1/0口较多的数字电路中川。23单片机单片机选用ATMEL公司生产的AT89S51型FLASH单片机。该单片机的引脚定义及指令语句与CSL单片机相同,而551单片机支持ISP技术,使得它在软件完善和扩充方面具有较强的灵活性阅。数据采集系统整体硬件连接如图2所示图中以一片AD7714为例,其它多片接法与此相同。每片AD7714通过5根导线与CPLD相连,DIN用于向AD7714的寄存器写入数据,DOUT用于从AD7714的寄存器中读出数据。DRDY非电平的变化指示是否有新的转换数据生成。SCLK用作CPLD与AD7714之间数据传输的串行时钟、RESET置高电平时用来复位AD7714。单片机的PL、PZ口各八位以及P32均与图2系统硬件连接64海军工程大学学报第19卷CPLD相连,PL口用于从CPLD中读取数据,PZ0一PZ于提供时钟脉冲SCLKL用于CPLD与单片机数据传输5用于向CPLD中写人数据。、SCLKZ周期15的信号。P3PZ6、PZ7用2用于CPLD向单片机传输数据时的同步。P30、P31与上位机相连,实现与上位机之间的串行通信。3软件设计及实验测试3ICPLD的软件设计对CPLD采用VHDL语言进行软件设计,在MUXPI一USLL环境中编辑芯片的逻辑功能。CPLD对AD7714逻辑控制的过程如下首先选择输人通道N1,然后依次设置滤波高寄存器、滤波低寄存器、模式寄存器,并初始化自校准系数,该过程通过DIN向AD7714写入数据。设置完成之后,CPLD等待DRDY非引脚的电平变化,当该引脚电平由高变低指示有新的转换数据生成时,CPLD设置通信寄存器,使得下次对芯片的操作是读取数据寄存器。转换数据从数据寄存器通过DOUT引脚传到CPLDAD7714首先输出的是数据的最高位,最后是数据的最低位。一个通道转换完成后,依照上述过程进行下一通道N1的转换,直至3个通道均完成,再次回到第一个通道循环。在CPLD内部为每个通道的转换数据设置存储单元,用来存储该通道最新的转换信息。由于VHDL语言并行执行的特点,多片AD7714是同时进行数据采集的。CPLD在控制AD7714的同时还与单片机保持通信,接收单片机发送的通道号,并将该通道相应的转换数据送到单片机’,5〕。该过程的具体流程如图3所示。为保证24位无误码输出,AD7714的数据输出频率设置读检测通道号转换数据送移位寄存器,发送次数计数N级SCLKI上升沿,移位寄存器左移八位送发送寄存器SCLKI下降沿,通知单片机开始接收,计数N加1N3发送完成1是通知单片机停止接收图3CPLD与单片机的通信流程为50HZAD7714的数据输出速率等于滤波器第一陷波点的频率,通过写滤波寄存器来设置。当单片机向CPLD发送所要检测的通道号后15由SCLKZ提供时钟信号之内相应AD7714的20脚不指示有新的转换数据时,CPLD将该AD7714的RESET置高电平,使其复位到上电状态,以保证系统在出现软件故障时能够自我修复。32单片机的软件设计单片机接收上位机的命令,将所要检测的通道号编码,通过PZ0一PZ5发送到CPLD,CPLD响应的数据存放在24位的数据寄存器中。单片机把通道号发给CPLD以后,就把数据寄存器清零困。从CPLD接收数据的过程如图4所示。33数据采集测试结果将2只阻值NKN,步进值IN的精密电阻箱串连后接VC。SV的恒压源。AD7714的一路输人接两电阻箱连接点,REFIN、AVDD均接至VC。,放大增益系数设为1。AD7714最小分辨率为5000/2一24298又10一‘MV,将该值乘以转换后的数字量输出即为系统检测的U值。根据电阻箱RL与RZ的示数可以计算出U的理论值US000RZ/RLRZMV。调节RI、RZ,将多组抽样U的理论值与系统检测值比较,得到如表1所示的结果图4单片机与CPLD的通信流程第3期李庆等基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计65表1理论值与系统检测值比较RL/N9999999899909980RZ/N理论U/MV检测U/MV误差/MV05049610997550021010003一0一。004T30。0020003RI/N997099009000RZ/N301001000理论U/MV检测U/MV误差/MV1514995一0005505000200025005000060006121020由表1可以看出,系统的电压采集误差控制在0OLMV之内,达到了较高的检测精度。4结束语针对航天器液态燃料加注过程中的需要,本文设计了多路高精度数据采集系统。由于在系统中选用了CPLD,解决了多片AD7714同时进行数据采集的难题。系统结构简单,抗干扰能力强,便于维护,运行稳定、可靠。本系统具有广泛的应用价值,可移植到其它高精度、低频率的数据采集场合,适用范围较宽。参考文献郑应强,杨金岩AD7714模数转换器的工作原理及应用〔J〕国外电子元器件,2000,62一4孔德明基于CPLD控制的实用数据采集系统J〕电子产品世界,2005,10101一103。刘国强,唐东兴,李兴伟基于AT89C51单片机的高精度测温系统的研制J仪器仪表学报,2O05,8258一262刘忠,黄健全,徐坤基于CPLD的高速数据采集系统的设计与实现J电子技术应用,2O06,471一73李中华一种远程数据采集模块的设计〔J〕化工自动化及仪表,2003,30248一53严承华,程尔升基于多通道通信技术的高速数据采集器的研制J〕海军工程大学学报,2001,13135一37﹁IJ﹁|1门|工F|1刁﹂﹁1习11勺乙八JA工匀内HRLLLLFLLL厂1﹂厂IJ谷队谷认落孰穿瑞笋釜队攀、釜赵宇、釜沌釜众居队谷息谷队撼丸若这分幼丹指冲赓、争、享、若慈若孰若众务马若沌若众若沌争毛丸享、穿、谷认芸这苍熟争尽李、寨、李苍这争,争赓赓是齐盏上接第55页参考文献杨为民可靠性、维修性、保障性总论M北京国防工业出版社,2O00王新磊,吕建伟舰船总体可靠性建模方法研究J〕海军工程大学学报,2006,18294一98邱志明,郭勇,赵京旭,等舰炮武器系统分析M】北京兵器工业出版社,1999陈海英,郭巧,徐力短跑运动能力的神经网络评价方法「J〕北京理工大学学报,2O03,23154一57周燕,陈恨中,李为民基于BP神经网络的弹炮结合系统作战效能评估〔J〕系统工程与电子技术,2005,27184一86飞思科技产品研发中心神经网络理论与MATLAB7实现「M」北京电子工业出版社,20O5刁J刁J﹁ES﹂﹁|︺刁J工|曰11八乙乃力压JL介︹卜厂ILLESLL﹂厂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