连续物流信号采集系统的设计.doc

华 中 科 技 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 文 毕业设计（论文）题目 假手控制用肌电信号采集处理及识别方法研究文献综述题目表面肌电信号的识别与应用 学院专 业 姓 名 班 级 学 号 指导教师一前言1.1 信号采集分析被测电压为05V直流电压，可通过电位器调节产生。1.1.1 信号采集多路数据采集系统多采用共享数据采集通道的结构形式。数据采集方式选择程序控制数据采集。程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。，据不同的采集需要，在程序存储器中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。如图1-3所示。图1-3 程序控制数据采集原理程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择，控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。利用多路开关（MUX）让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。当采集高速信号时，A/D转换器前端还需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电流电源输出端与A/D转换器之间应接入放大器以满足要求。本题要求中的被测量为05V直流信号，由于输出电压比较大，满足A/D转换输入的要求，故可省去放大器，而将电源输出直接连接至A/D转换器输入端。多路数据采集输入通道的结构图1-4所示。图1-4 多路数据采集输入通道结构ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。2.1 信号调理电路信号调理的任务 将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。图2-1 信号调理过程对于多通道数据采集系统的输入通道，设置多路选择开关，可降低硬件开销。如图2-1所示。为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号过小时，每个通道应设前置放大环节（本文可不加以考虑）。2.2 数据采集电路把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。 把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。2.2 信号调理电路所谓信号调理就是将传感器（或变速器）所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等，以便数据采集模块实现对数据的采集。其中传感器是将被测量（通常为非电量）转换成电信号的信号转换元件，然而由于传感器的电气特性，其产生的电信号一般不可能直接接入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠的采集。一般而言，信号调理是基于PC机的通用数据采集系统不可或缺的组成部分。2.2.1 隔离电路隔离是指使用光电耦合器或变压器等方法，在测试系统和被测试系统之间传递信号，以避免直接的电或物理连接。因为被测量常有瞬变或冲击现象，甚至足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号同计算机隔离起来，使系统安全得到了保证。另外，通过隔离可以确保ADC卡的读数不致受到“地”电位或共态电压差异的影响。ADC卡每次采集输入信号时，都是以“地”为基准的，如果两“地”之间存在电位差，就可能导致“地”环路的产生，从而造成所采集的信号再现不准确。如果这一电位差太大，则可能危机到数据采集系统的安全，利用隔离技术就可以消除“地”环路并保证准确的采集信号。2.2.2 放大电路最常用的信号调理形式是放大，即将输入微弱的电信号放大至与多功能ADC卡的量程相当的程度，以获得尽可能高的分辨率。信号调理电路首先应将输入的微弱电流信号通过一个精密电阻，使之转换为电压信号，在对该电压信号进行调理和数字化。另外，信号调理模块应尽可能靠近信号源、传感器或变送器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，使信噪比得到改善。图2-1 信号调理电路本设计的信号调理电路如图2-1所示，它采用Pt100铂电阻作为工业现场温度测试点的传感器，将温度的变化转换为自身电阻值的变化，但该信号很小，为毫伏级，这里采用了一个电压跟随器，它的作用就是对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使阻抗匹配。它有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求；同时它使输出电阻值减小，提高了电路的带负载能力。输出的采样信号的电压值为毫伏级，而ADC0804的电压值为伏特级，为了在量化时能准确的将采样值量化，需要加放大电路，这里采用了两级运算放大电路，LM741为比例运放，靠调节滑动变阻器来改变运放的放大倍数，以确保输入信号经量化后得到准确的采样值，来进行后续的处理工作。2.3 数据采集接口数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理。它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数（A/D）转换，将连续的模拟信号量化。无论A/D 转换器的速度多快，A/D转换总需要时间。由此产生两个问题，第一，在 A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。为减小误差，需要保持信号不变。第二，A/D转换器输出的数字量只能表明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。2.3.1数据的采样与保持 在A/D转换过程中应该保持输入信号不变。采样/保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定的时间内保持不变。采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟电压；在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。 图2-2 是采样/保持器的电路原理图。图中A1为高输入阻抗的场效应管组成的放大器，A2为输出缓冲器，开关K是工作方式控制开关。当开关K闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，在此时为采样工作方式；当开关K断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，因此在理想情况下，电容器保持充电的最终值。图（a）图 (b) 图2-2 采样/保持器电路 数据采集系统的设计1 设计内容及要求设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。要求： 选择合适的芯片； 设计原理电路（包含译码电路）； 编制数据采集的程序段； 编制数据通信程序段； 撰写设计说明书。2 数据采集系统原理及实现方案本课设是设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。10路模拟量A./D转换MCU工控机20路数字量RS485I/O扩展数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。硬件设计应用电子设计自动化工具，数据采集原理图如图1所示：图1 数据采集原理图由原理图可知，此设计主要分三大部分：模拟量的输入采集，数字量的输入采集，从机向主机的串行通信。信号采集分析：采集多路模拟信号时，A/D转换器前端需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。本题设计要求简单，模拟量和数字量直接给出，故信号采集部分可忽略，而将数据输出直接连接至A/D转换器输入端。模拟量的采集：A/D转换器的选取应考虑：（1）转换时间的选择：转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。由于本系统的控制时间无具体要求，故可不予考虑，但至少要小于题目要求的1ms，这是可以达到的。（2）AD位数的选择：A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为10位。输入为05V时，分辨率为设计要求10位精度的10路模拟量，通过查阅资料，TLC1543芯片满足要求。TLC1543 是一种开关电容结构的逐次逼近式A/D 转换器， 片内提供转换时钟，12 位或 8 位串行数据输出。可采集 11 路模拟输入电压，由片内多路开关选通，并采样保持。数字量的采集：设计中要求是20路数字量，可利用单片机的I/O口直接采集，但需要20个I/O口与之对应，这样，就浪费了芯片的管脚资源，可采用并行采集、串行输出的办法，进行I/O口扩展。传输方式分析：通过串行通讯方式RS485向工控机传送。4.1温度采集电路设计原理DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。 初始化序列：复位脉冲和应答脉冲在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480s，以产生复位脉冲(TX)。然后主机释放总线并进入接收(RX)模式。当总线被释放后，5k的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15s60s，通过拉低总线60s240s产生应答脉冲。初始化波形如图4-5所示。 图6 初始化脉冲 读和写时序在写时序期间，主机向DS18B20写入数据；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的数据。在每一个时序，总线只能传输一位数据。读/写时序如图3-6所示。写时序：存在两种写时序：“写1”和“写0”。主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。所有写时序至少需要60s，且在两次写时序之间至少需要1s的恢复时间。两种写时序均以主机拉低总线开始。产生写1时序：主机拉低总线后，必须在15s内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。产生写0时序：主机总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60s）。在写时序开始后的15s60s期间，DS18B20采样总线的状态。如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。读时序：DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。所