[硕士论文精品]数据采集及处理系统设计.pdf

目录目录 1 总体方案设计分析 . 1 2.1 总体分析 . 1 1.2 方案比较论证 . 2 2 系统硬件设计分析 . 3 2.1 模拟量输入设计 . 3 2.2 模拟量输出设计 . 5 2.3 数字量输入设计 . 7 2.4 数字量输出设计 . 8 3 系统软件设计分析 . 9 3.1 主函数设计 . 9 3.2 数据采集子程序设计 10 心得体会 11 参考文献 12 附录 13 总原理图 13 程序清单 15 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 1 1 1 总体方案设计分析总体方案设计分析 2.1 2.1 总体分析总体分析 数据采集和处理是计算机控制系统的重要组成部分，在工业控制机和生产过程之间， 要对生产过程进行实时控制，就要实时的了解生产状态，这就要求采集大量的模拟信号或 数字信号进行分析，并输出有一定意义的、更直观和易于理解的模拟量或数字量，以对控 制进行指导，调整控制方案。随着自动控制的发展，数据采集及处理将会得到越来越多的 应用。 本次设计要求设计一个 64 路巡回数据采集及处理系统，系统循环周期为 1 秒，16 路 模拟信号输入，16 路开关信号输入，16 路模拟输出，16 路数字输出。数据采集及数据处 理的过程比较简单，很直观的想象为采集数据，输入到 cpu，输出数据。在这一过程中， 还要有数据通道选择， 为了适应芯片的电压值， 还可能需要把传入的模拟电压放大或缩小。 转换成模拟信号后，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。 在输出过程中，芯片输出可能为电流信号，可能为电压信号，按照本题目，需将电流 信号转换成电压信号。 系统框图如图 1 所示。 数字量 锁存 数字量 采集 数字量 输出 数字量 锁存 微型处理 器 模拟量 输入保 持 模拟量 a/d 转 换 d/a 转 换 模拟量 输出保 持 图 1 系统结构框图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 2 1.2 1.2 方案方案比较论证比较论证 因为设计架构较简单， 本次设计可以选择一些性能参数不是太高但是能满足设计要求、 性价比较高的芯片。本次设计的主控芯片选择为 at89c51。 数据采集系统主要需要解决的是模拟量输入通道问题,在众多的模拟量输入中,需要确 定模拟量输入通道的结构。模拟量通道结构有两种：其一,每路模拟量均有各自独立的 a/d 转换器、采样/保持器;其二,多路模拟量共用一套采样/保持器、a/d 转换器。 在两种结构中,前者电路结构简单,程序设计方便,由于每路模拟量均需各自独立的 ad 转换器,所以,尽管只有一个处理器,但 a/d 转换是并行的,具有很快的转换速度。由于使用 的 a/d 转换器数量多,故总体成本高昂,仅在高速数据采集系统中采用;后者具有经济实用 等良好特点,在性能指标要求许可的情况下,一般采用该方案，对于本次设计，采用的是第 二种方案，即多路模拟量共用一套采样保持器、a/d 转换芯片。本设计中选择了多路选择 开关 4067 和 adc0804 配合使用实现模拟量采集，由于采集模拟量范围与 a/d 芯片的量程 范围不符，需要在转换前加入放大电路，转换后输入给 a/d 芯片。 d/a 转换部分主要解决数字到模拟的功能，最常用的数模转换器为 dac0832，将输入的 数字量转换成差动的输出。为了使其能变成电压输出，又要经过运算放大器。 模拟输出通道也有两种基本结构形式：一种是每个通道设置一个数/模转换，速度快， 工作可靠，缺点是使用了较多的 d/a 转换器；另一种为多个通路共用一个数/模转换器， 即转换成模拟电压后，通过采样保持器保持住一个通道的输出，再进行下一个输出通道的 转换。这种结构形式的优点是节省了数/模转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量 多且速度要求不高的场合。本次设计中采用的是单片的 dac0832 芯片配合放大电路和多个 采样保持器 lf198 实现 16 路输出。 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 3 2 2 系统系统硬件设计分析硬件设计分析 2.1 2.1 模拟量输入设计模拟量输入设计 模拟量数据采集端口为 16 路，可以按照需要选定其 中 1 路端口，为实现此功能，采用了 4067 芯片，4067 用 来切换信号的传输十分方便。4067 芯片具备 1 个使能端， 4 路地址码端，构成 16 状态，控制 16 路信号的输入。如 图 2 所示，其中通过 a、b、c、d 及使能端的控制，选通 16 路通道中的一路。 由于输入信号为毫伏信号，这种信号必须经过毫伏信 号前置放大器放大到与 a/d 转换电路输入电压相匹配 的电平，才能进行 a/d 转换。如图 3 在毫伏信号放大器设计中， 采用三个运算放大器构成的 对称式差动放大电路。输入信号的正负端分别接在 a1,a2两 个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高，由于对 称结构，保证了抑制共模噪声信号的能力，运算放大器 a3实现差动电平转换，电位器 rg 用以调整放大倍数。输入毫伏信号 vi 经两级滤波放大后得到与 a/d 转换电路输入电平相 匹配的输出电压 vo，其电压传递特性为： 2r/rg）vi+(1 )1222)(112( 1 scrscr vo vi scrscr k )1222)(1112( 图 2 4067 示意图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 4 图 3 毫伏信号输入前置放大器 其中：k=（1+2r/rg）为放大器的比例增益，由信号量程范围决定；滤波时间 常数 2r1c1,2r2c2由信号中的高频噪声频率确定。二极管 d1 和 d2 用来对输入信 限幅。 因为 vo=5v,vi=20mv.所以，取 r=1245 欧，rg=10 欧。 a/d 转换器件与 cpu 的接线电路如图 4。 图 4 ad0804 接线示意图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 5 2.2 2.2 模拟量输出设计模拟量输出设计 本次设计中对于数字量到模拟量得转换采用的是 dac0832 芯片，dac0832 是美国国家 半导体公司生产的 8 位 d/a 芯片，共有 20 个引脚。它具有与微机连接简单、转换控制方 便、价格低廉等特点，微机系统中得到广泛的应用。 图 5 0832 功能示意图 0832 各主要引脚功能： 07 dd： 8 位数据输入端。 ile： 输入寄存器允许信号， 输入，高电平有效。 cs：片选信号，输入，低电平有效。 1 wr ：输入寄存器写信号，输入，低电平有效。 由 ile、 cs、 1 wr的逻辑组合产生输入寄存器控制信号 1 le 。 当 1 le为低电平时， 输入寄存器内容随数据线变化， 1 le的正跳变将输入数据锁存。 xfer ： 数据传送信号， 输入， 低电平有效。 2 wr： dac 寄存器的写信号， 输入， 低电平有效。 由 xfer、 2 wr组成 dac 寄存器的控制信号 2 le。 2 le的正跳变将输入数据锁存到 dac 寄存器。 1out i：电流输出 1。当 dac 寄存器中全为“1”时，输出电流最大，当 dac 寄存器中 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 6 全为“0”时，输出电流最小。 2out i：电流输出 2。它与 1out i的关系是： 1out i+ 2out i=常数 rfb：内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，rfb 端可以直接接到外部运算放大器的输 出端。这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端。 vref：参考电压输入端，可接正电压，也可接负电压，范围为-10v+10v。 dac0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式： 双缓冲、 缓冲和直通方式，直 通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效，两个寄存器都开通只要有数字信号输 入就立即进入d/a转换。 单缓冲方式使dac0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，另一个处于受控方 式，可以将wr2和xfer相连在接到地上，并把wr1接到80c51的wr上，ile接高电平，cs接高 位地址或地址译码的输出端上。 双缓冲方式把dac0832的输入寄存器和dac寄存器都接成受控方式，这种方式可用于多 路模拟量要求同时输出的情况下。本次设计采用直通方式。 由于dac0832是输出的是电流,若需要电压信号,可用运算放大器将电流信号转换成电 压信号。 dac0832电路连接示意图如图6所示。 图 6 dac0832 连接示意图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 7 由于本次设计要求中有16路模拟量输出， 因此分别对16路数据进行转换并采样保持， 本次设计采用的芯片是 l198，保持电路如图 7 所示。 图 7 保持电路连接示意图 当一路的保持器 logic 端得到一个上升沿时，模拟量即被保持到 op 端口，通过 16 个 保持器来实现 16 路模拟量输出 2.3 2.3 数字量输入设计数字量输入设计 对于数字量的采集，本次设计中采用的是 373 锁存器，通过锁存器将开关量锁存住，单片 机进行数据采集时，将片选选中该锁存器，然后直接进行数据读取。示意图如图 8 所示。 图 8 数字量采集电路示意图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 8 2.4 2.4 数字量输出设计数字量输出设计 与数字量的输入设计相类似，本次设计中同样采用 373 锁存器，通过锁存器将开关量 锁存住，单片机进行数据输出时，将片选选中该锁存器，然后直接进行数据输出。示意图 如图 9 所示。 图 9 数字量输出电路示意图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 9 3 3 系统软件设计分析系统软件设计分析 3.1 3.1 主函数设计主函数设计 程序主要结构框图如图 10 所示，具体程序见程序清单。 开始 初始化设置 设置定时器 定时是否到 调用数据采集输出子 程序 y n 图 10 主程序结构框图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 10 3.2 3.2 数据采集子程序设计数据采集子程序设计 子程序结构框图如图 11 所示，具体程序见程序清单。 开始调用子程序 选择数据通道 进行数据采集 数据存储分析处理 输出通道选择 数据输出 结束 图 11 子程序结构框图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 11 心得体会心得体会 课程设计顺利结束了，在这次课程设计中，我收获非常之大。首先表现在危机意识方 面，以前学习知识，都觉得学会了就可以了，但是却没有想到过去巩固已经学会的知识， 刚开始进行准备工作时，面对题目，思路很明确，但是真正动起手来，就发现，各种各样 的问题，层出不穷，这个芯片管脚忘了，那个实现功能的电路不知道该怎么画等等，这些 都是以前在学习过程中没有好好复习导致的。 此外，本次设计使我对于单片机的应用得到了进一步的提高，虽然要求只是很简单的 数据采集，但是他与数字滤波的相结合，充分使我理解到了计算机控制技术的应用。 本次设计中所用到的芯片虽然很常见， 但却也是最实用的芯片， 数模转换， 模数转换， 这些基本功能的实现的熟练度在本次设计得到了提高。 最后，我所收获的就是对于软件的应用方面，以前一直把 proteus 没放在心上，但是 这次设计中在该软件上画原理图，有些同学就能很熟练的进行仿真，但是，我缺没办法找 到各种元器件，仿真起来也出现各种问题，这是很值得我牢记的一个教训。 谢谢老师和同学对我这次设计的帮助！ 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 12 参考文献参考文献 1 周佩玲,彭虎,傅忠谦编著.微机原理与接口技术.电子工业出版社,2007.6 2 于海生,吴贺容编著.微型计算机控制技术.清华大学出版社,2004.7 3 黄胜军编著.微型计算机控制应用实例集（二）.清华大学出版社,1993.10 4 苏玉刚等电力电子技术m重庆：重庆大学出版社，2003 5 康华光,邹寿彬,秦臻编著.电子技术基础数字部分.高等教育出版社,2006.1. 6 徐爱钧编著.单片机高级语言 c51 应用程序设计.电子工业出版社,2002. 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 13 附录附录 总原理图总原理图 总原理图 1 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 14 总原理图 2 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 15 程序清单程序清单 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uint tt,aa,bb,cc,dd,ee; uchar i,j; long int num; uchar d_in_adr=0x07,0x0b; /数字量采集地址 uchar a_in_adr=0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70 ,0x80,0x90,0xa0,0xb0,0xc0,0xd0,0xe0,0xf0; /模拟量采集地址 uchar d_out_adr=0x13,0x23; /数字量输出地址 uchar a_out_adr=0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07 ,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0c,0x0d,0x0e,0x0f; /模拟量输出地址 uchar d_in_data2; uchar a_in_data1016; uchar d_out_data2; uchar a_out_data 16; void ain (); /函数声明 void din (); void aout (); void dout (); void main() /主程序 tt=0; tmod=0x11; /设置定时器 0 为工作方式 1 th0=(65536-10000)/256; tl0=(65536-10000)%256; /设置 100ms 定时 et0=1; /开定时器 0 中断 tr0=1; /启动定时器 0 while(