（流体机械及工程专业论文）基于msp430的风洞数据采集系统的开发设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本研究的主要对象是山东大学低速风洞的数据采集系统。原数据采集系统 有较大的局限性和缺陷，因此研究的任务就是设计一个新的数据采集系统，提高 采集数据准确性和可靠性。 测量系统是整个风洞系统的核心部分，它的准确性直接影响着整个实验结 果的可信度。在原来的数据采集系统中，测量元件( 天平) 输出的信号是几毫伏 弱电压信号，经过较长距离的传输后，传输到工控机的数据采集卡上，从而完成 数据的采集。在这个过程中，弱电压信号很容易受到外界的干扰。在这种情况下 采集到的数据必定会有较大的偏差，使得实验结果并不能真实反映实际的情况。 所以必须设计一个新的数据采集系统，从根本上消除干扰的影响，提高测量的准 确性和可靠性。 随着计算机技术及通信技术的发展，现代的数据采集系统多采用“工控机 单片机”模式。这种方式的数据采集系统具有可靠性好、精度高、操作简便 等优点，更重要的它采用先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的 增加或更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的 系统。因此，本次研究也采用这种方式设计新的数据采集系统。 单片机是整个系统的核心，选择一款好的单片机至关重要。本次设计选用 的是m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。它在硬件配置、运算能力、可靠性上都比较好，足以 满足设计的要求。m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机串行通信模块功能很强，与传统的串行通 信相比，它可以用低时钟频率实现高速通信。该单片机内部含有两个串行通信模 块：串口0 ( u s a r t o ) 和串口1 ( u s 舢汀1 ) ，其串行通信模块功能很强，使用也非 常灵活。 在新的数据采集系统中，从天平出来的弱电压信号直接被放大成伏级，然 后经过a d 转换，再送到单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，通过其自带的串口把数据传送给 工控机。这个过程中，弱电压信号传输的距离很短，在较长距离上传输的是串口 的数字信号，原系统存在的干扰问题得到了很好的控制，数据采集系统的稳定性 和准确性也得到了较好的保障。 新的数据采集系统开发完成之后，还进行实际使用测试，通过实验证实了 山东大学硕士学位论文 新的数据采集系统工作稳定，性能可靠，准确性好。本次设计的另外一个部分就 是为新的数据采集系统硬件编写一套适合的程序，包括单片机的程序和工控机的 程序。本文也对这部分内容做了详细介绍。 关键字：数据采集系统、m s p 4 3 0 、串行通信。 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a s ) o ft h ew i n dt u n n e lw a ss t u d i e di n t h i sp a p e r t i h eo r i 百n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a dal o to fl i m i t a t i o n ，s ot h et a s kw 嬲t od e s i g na n e wd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 锄do v e 瑚m et h el i m i t a t i o n ，a n dt oe n s u r et h ea c c u r a c y 0 ft h ea c q u i r e dd a t a t h em e a s u r e m e n ts y s t e mi st h ec o r eo ft h et u n n e ls y s t e m ，s 0t h ea c u r a c yo ft h e r e s u l ti sa f i e c t e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi m m e d i a t e ly t h em e t r i c a le q u i p m e n t i st h es t m i ng a u g eb a l a n c ea n dt h es i 印a ls e n tb yt h es t r a i ng a u g eb a l a i l c ci sa t m i l l i v o l tl e v e l i i lt h eo r i g i n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h es i g n a lw a st r a n s m i t t e dt o t h ed a t aa c q u i s i t i o n 洲i nt h ec o m p u t e ri nd i s t 锄c e i nt h es i 印a lt r 锄s f e rp r o c e s s ，i t w 嬲e a s yt 0c a u s ei n t e r f e r e n c e ，s ot h er e s u l tw a sn o te x a c t 卸dc o u l dn o tc o n c c t l y r e f l e c tt h ea c t u a lc a s e s s oan e wd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm u s tb ed e s i g n e dt 0 e l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e 柚di m p r 0 v et h ea c c u r a c y0 ft h es y s t e m a st h ed e v e l o p m e n t0 ft h ec o m p u t e rt e c l u l i q u e 加dc o m m u n i c a t i o n st e c l u l i q u e ， t h es i n 舀e c h i p - c o m p u t e rm o d eh a sb e e nu s e du s u a l l yi nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i n t h i sw a y ，t h es y s t e mh a st h em e r i to fr e d u n d 锄tr e i i a b i l i t y h i 曲a c c u r a c ya n de a s y o p e r a t i o n e s p e c i a l l yt h em o r ea d v 柚c c dm o d u l et y p es t l l l c t u r e i su s e d t h r o u g l l s i m p l yc h a n 酉n gm o d u l e sa i l dp r o 伊a m m i n g ， an e ws y s t e mc a nb er e c o m p o s e d a c c o r d i n g t od i 骶r e n ta p p l i c a t i o nr e q u e s t t h e r e f o r e ，t h i sm e t h o dw a sa l s os e l e c t e dt o d e s i g nt h er c c e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mj nt h j sr e s e a r c h t h es i n 舀e c h i pi st h ec o r eo ft h es y s t e m ，a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt os e l e c ta s u i t a b l e0 n e i nt h i sr e s e a r c h ，m s p 4 3 0 f 1 4 9w a ss e l e c t e d w i t hh i g h0 p e r a t i o n a i c a p a b i l i t ya n dn i c eh a r d w a i ed i s p o s i t i o n ，t h es i n g l e c h i pc a nb em a t c h e dw i t ht h e s y s t e m t 1 l es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e so fm s p 4 3 0 f 1 4 9a r ep o w e r f u l c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，h i g h - s p e e ds e r v i c ec a nb er e a l i z e de v e ni n t h el o wc l o c kr a t e t h es i n g l e c h i ph a st w os e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ：u s p l j 王t 0 a n du s p l r t l t h ef u n c t i o no ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e si sv e r ys t r o n ga n d i i l 山东大学硕士学位论文 t h eo p e r a t i o ni sa l s 0c o n v c n l e t l t l l lt h en e wd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h es i 印a ls e n t b yt h es t r a i ng 卸g eb a l a l l c e w a sm a g n i f i e da t1 0 0 0t i m e s t l h e nt h es i g n a lw a ss e n tt om s p 4 3 0 f 1 4 9a r e rt h ea d t r a n s f o n n a t i o n t l h ed a t aw a ss e n tt ot h ec o m p u t e rb ym s p 4 3 0 f 1 4 9t h r o u g ht h es e r i a l c 0 衄u n i c a t j o nm o d u l e s h lt h i s 、怕y ，t h e 、耽a kv o l t a g es j 鲈a 1w a s s e n ti i lav e r ys h o r t d i s t 锄c e i n s t e a do ft h ew e a kv o i t a g es i 印a l ，t h ed i g i t a ls i 印a lw 舔t r a 璐m “i nm e1 0 n g d i s t 锄c e t 1 i e r e f o r et h ei n t e r f e r e n c eo ft h eo r i 百n a ls y s t e mw 弱w e uc o n t r o l l e d ，姐d t h es t a b i l i t y 姐da c c i l r a c yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw 舔a l s ow e ue n 鲫r c d a f t c rt h en e wd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sc o m p l e t e d ，t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t e s tw 舔c 确e d0 u t t h er c s u l tc o n f i 咖e dt h a tt h en e ws y s t e mo p e r a t c ds t e a d i l y ， r c l i a b l y ，e x a c t l y 锄dm e e tt h ea d u a lr e q u 硫m e n t sc 0 m p l e t e l y as e to fs u i t a b l e p r o g r 锄w 嬲c o m p i l e df o rt h er e c e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h ep r 0 笋锄f o rt h e m s p 4 3 0 f 1 4 9 趾dt h ec o m p u t e rw a si n c l u d e di nt h es e to fp r o g m m 1 1 l i sp a r tw 弱a l i n t r o d u c e di nd e t a i l si i lt h i sp a p e r y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，m s p 4 3 0 ，s e r i a lc 0 m m u n i c a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壶尧 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑导师签名： )工 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 风洞是从事飞行器研制和空气动力学研究的最基本的实验设备，迄今为止 绝大部分空气动力学实验都是在风洞中完成的。风洞试验的原理是建立在相似准 则的基础之上，模型的各部分尺寸均按比例缩放，模型各部位在风场中受力的情 况与实物之间也满足一定的比例关系。风洞的发展是同航空航天技术紧密相关 的，风洞是研制新型飞行器的重要物质基础。在研制飞机的过程中，往往需要几 千甚至上万小时的风洞试验，在小风洞试验的基础上，还常常需要在大风洞中作 实物试验。随着工业及科学技术的发展，风洞( 目前主要是低速风洞) 在非航空、 航天领域的应用也日趋广泛。例如，气流测试仪器的标定，普通建筑、高层建筑、 电视塔、高压电缆、大型塔架及其他各种建筑物的风载性能，汽车、火车及其他 交通车辆的气动特性，大气污染现象，各种风力机械，防风林和防沙林，体育器 械的性能等等，都需要利用风洞实验的技术，在风洞中进行各种试验。 风洞的种类有很多，例如根据风速，可分为超音速风洞，跨音速风洞，亚音 速风洞和低音速风洞等，另外风洞的形状和直径大小也有不同。一种低速、单回 流、开口试验段风洞的组成如图1 1 所示。 图1 1 风洞结构原理图 电机旋转带动风扇，在直径大小不等( 1 m 一3 5 m ) 的管道中产生闭合的风场， 山东大学硕士学位论文 被测模型与应变天平( 传感器) 相连接，安置在风道的开口处，模型在风场中受 力的情况通过天平的压力传感器将信号传送到检测控制系统进行分析处理，得到 所需的各种数据。风洞试验得到大量的数据，计算和分析的工作量是很大的，随 着计算机硬件和软件技术的发展，风洞试验的检测控制都是通过计算机系统来完 成的。 本文的研究对象是山东大学1 2 1 米2 单回流开口低速风洞的数据采集系 统。风洞于1 9 9 0 年5 月建成，与上图所示的结构类似，至今历经了两次测量和 控制系统的改造更新。 原来的数据采集是通过插在工控机上的数据采集卡来实现的。虽然这种数据 采集方式实现简便，但是它有一个很大的缺陷抗干扰能力差。本风洞的主要 测量元件是六分量盒式或杆式应变天平，它输出的测量信号是只有几个毫伏的弱 电压信号，在从天平到工控机的传输过程中，很容易受到外部电磁场的干扰。并 且在数据采集卡还要放大1 0 0 0 倍后，再进行模拟信号的数字化。从整个过程可 以看出，在弱电压信号的传输过程中，由干扰产生的一个微小的变化量就会产生 一个很大的偏差，这大大地影响了测量的准确性。 测量系统处于整个风洞系统的核心地位，它的性能直接决定风洞系统的优 劣，为了提高测量的精度及准确性，设计一个新的、性能更好的数据采集系统势 在必行。 m s p 4 3 0 系列单片机具有低工作电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作 稳定、丰富的片内外设和方便高效的开发环境等特点，有着极其广阔的应用范围， 其各方面的性能均能满足本设计的需要；目前m s p 4 3 0 系列有4 种类型器件：0 t p 型、r o m 型、e p r o m 型和f l a s h 型，这些器件的区别在于开发手段不同。其中f l a s h 型有着十分方便的开发调试环境，因为器件片内有j t a g 调试接口，还有可电擦 写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制 程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发，开 发语言有汇编语言和c 语言。且相关的单片机开发设计工具，如程序编写调试 软件和编程器等都已经具备，因此选择m s p 4 3 0 单片机进行本次设计研究。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 研究现状 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 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，由非熟练人员进行操作，并 且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有 高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任 务，因而得到了初步的认可。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集设 备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统1 2 j 。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机 融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自 动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据 采集系统发展过程中逐渐分为两类：一类是实验室数据采集系统，另一类是工业 现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线， 工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两 类：一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准 i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室， 在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成。 例如：s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把 相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现 场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入 系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。显然，这种系统比 专用系统灵活得多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化。工 业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低， 体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不 断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。目前有的d a s 产品精度已达1 6 位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为 3 山东大学硕士学位论文 一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先 进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系 统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。 该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型 系统有v x i 总线系统p c i 、p x i 总线系统等，数据位已达到3 2 位总线宽度，采 样频率可以达到1 0 0 m s p s 【3 1 。由于采用了高密度、屏蔽型、针孔式的连接器和卡 式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性。但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领 域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。 串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断 提高。数据采集系统物理层通信，由于采用r s 4 8 5 、双绞线、电力载波、无线 和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善，其在工业现场数据采集和控制等众 多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网、 车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台 数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。 目前，在一些简单的数据采集系统中，数据采集卡的应用还是相当普遍的。 其使用方便、性能稳定、功能齐全等特点，在某些特定的使用环境下有其独特的 优势。随着控制理论和通信技术的发展，以及系统集成化的要求，数据采集卡这 种单体化的数据采集方法已经不能满足较复杂系统的需求。单片机通信能力的提 高和通信技术的进一步发展，很方便就可以实现多机相互通信，从而形成了一种 新的控制模式单工控机多单片机模式，进而满足了复杂系统集成化的要求。 本研究所使用的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是一款超低功耗类型的，比较适合电池 应用的场合或手持设备。目前，m s p 4 3 0 系列单片机在智能化水表和热量表的开 发设计中应用非常广泛，在其他某些要求低功耗的场合应用也较多，其优良性能 已经过无数次验证。不仅在低功耗方面表现尤为突出，而且它在普通模式下也具 备相当的优越性。它有一个1 6 位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据 存储器，其r a m 单元也可以实现运算。在运算能力方面，在8 删z 晶体的驱动下， 1 6 位的数据宽度、1 3 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，可以拥有 相当的计算能力。在整合方面，m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机将大量的c p u 外围模块集成 在片内，如看门狗、定时器a ( b ) 、模拟比较器、串口通信模块等等，拥有了这 4 山东大学硕士学位论文 些模块，可以很方便的实现各种控制和数据处理h 1 。 本风洞数据采集系统虽然简单，但是考虑到后续其他信息采集设备( 如压 力测量系统) 的需要，应集成化的要求设计电路版，使用单片机完成信号数字化 和数据传输，并留出其他设备的信号输入接口，因此把新的采集系统设计成由工 控机控制的单片机数据采集系统，以方便系统的扩充。 1 3 研究内容、预期效果及创新点 主要研究内容和须达到的要求： 1 、根据设备的工作环境和测量元件的特点，设计一个新的数据采集方案， 该方案将满足稳定性、准确性、便捷性的特点； 2 、选取选取适当的元器件，并设计制作相应的电路板； 3 、根据所选择的元器件开发配套的单片机程序和工控机程序，使得各部分 能正常、稳定的工作； 4 、利用相应的工具对整个数据采集系统进行调试，直至系统能稳定、高效 的工作，并通过实验验证新采集系统的工作性能。 新的数据采集系统完成后，将替代原有的系统。在新的数据采集系统中， 从天平出来的弱电压信号会紧接着被放大并进行a ，d 转换，然后经过单片机的 处理后，通过串口传送给工控机。从这个过程可以看出，原来弱电压信号长距离 传输在新的系统中已经不存在了，取而代之的是数字信号的传输。由此，关键的 干扰问题得到解决。 本设计的创新主要有一下几点： 1 、系统采用了模块化结构，通过增减或更换模块，再重新编写一套程序就 可以实现采集系统的改造，整个过程简便快捷，很容易就能实现其他的测量器件 添加应用，提高了新数据采集系统的扩展性； 2 、本设计还使用新的数据采集方案，把模拟电路、数字电路以及串口通信 模块隔离开，解决了原系统中的干扰等问题，使得采集到的数据更加可靠、准确； 3 、在数据处理的过程中，通过程序实现了较为复杂的数学模型算法，为进 一步的数据分析和研究奠定了坚实的基础。 5 山东大学硕士学位论文 第2 章数据采集系统的方案设计 2 1 原数据采集系统介绍 原数据采集系统主要由p c 7 4 3 1 数据采集卡及其外接电路部分组成。 p c 7 4 3 1 是面向工业过程而设计的1 6 位1 6 路a d 、1 6 路开关量，丌几电平 输入、1 6 路开关量订l 电平输出的接口板，符合p c 总线标准( i s a ) ，适合于 所有p c 机。具有高分辨率、高精度及采样速度快的特点。模拟量输入通道采用 单端或差分( 双端) 模式。p c 7 4 3 1 的模拟部分采用高质量1 6 位a 仍转换芯片 ( a d 6 7 6 ) 及多种噪音处理方式，具有很高的稳定度及分辨率，特别适合模拟信 号的测量及分析哺1 。 2 1 1 工作原理 p c 一7 4 3 1 板是由多选开关、a d 转换器，数字量输入输出、地址译码及数据 缓冲等几部分组成。 ( 1 ) 通道选择 板上有2 片1 3 5 0 8 八选一模拟量开关芯片，现场1 6 路模拟信号经过j l2 5 d 型孔头进入本板后，经过限流电阻进入多选开关，由通道选择地址p o r t + o 控 制某一路( 0 1 5 ) 模拟量进行a d 转换。单端方式可输入1 6 路共地模拟量，差 分方式可输入8 路不共地模拟量，由s w 26 位拨码开关模拟量输入方式。 ( 2 ) a d 转换 a d 转换芯片选用a d 公司高性能的a d 6 7 6 芯片，其转换速率达 1 0 0 l ( h z ( 1 0 u s ) 。外部模拟信号经过多选开关选通后，经过运算放大器送入a d 6 7 6 进行转换，其转换状态的结果可用程序查询方式读出，读取数据地址是p o r t + 2 ， + 3 。a d 参考电源和采样保持由a d 5 8 7 和a d 7 1 1 完成。 ( 3 ) 数字量输入输出 板上1 6 路开关量输入1 6 路开关量输出是通过j 24 0 芯扁平电缆器与现场 连接的，输入输出均为t t l 电平，输入为0 2 m a 的电流吸入，输出带锁存，有 6 山东大学硕士学位论文 1 0 m a 下拉能力。 ( 4 ) 地址译码与数据缓冲 系统地址信号a 3 a 9 参与l s 6 8 8 、s w l 七位拨码开关比较器译码，地址a 0 一a 2 直接参与译码，本板占8 个i 0 地址，其有效i 0 地址控制通道选择、a d 转换、开关量输入输出、并总控数据缓冲器7 4 l s 2 4 5 工作方向。本板出厂基地址 首址为2 1 0 h ，连续占用8 个i o 地址，即：2 1 0 2 1 7 h 。如需改变基地址，改变 拨码开关的相应位即可，i o 地址可在0 3 f f h 任选8 个，但不能占用计算机系 统的i o 地址。 ( 5 ) d c d c 电源 p c 一7 4 3 1 板上装有d c d c 隔离电源模块，其输出1 5 v 直接供给模拟电路芯 片用，用户无需外接电源。 具体的工作原理如下图所示： 2 1 2 原采集系统的缺陷 图2 1p c 7 4 3 1 工作原理框图 从前面的介绍中可以了解到，原系统具有采集精度高、速度块、使用方便 等优点。但是对于一个好的采集系统而言，精度高仅仅是一个必要条件，并非充 分条件，也就是说精度高不一定准确性好。相对于经过放大后的信号而言，原系 7 0 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 屹b h = 。棚柚加加心肪胁埘删彬加加加加柚加 山东大学硕士学位论文 统的准确性是值得肯定的，但相对于整个采集过程，它不一定能有较高的准确性。 原系统中，信号的采集及处理是在位于工控机上的p c 一7 4 3 1 采集卡来完成 的。在信号源与p c 一7 4 3 1 之间还有一段十多米的传输距离，几毫伏的弱电压信 号在这么长的传输过程中难免要受到外界电磁场的干扰。风洞使用的大功率的变 频电机，在调速和正常运转的时候都会产生较强的电磁场；另外，随着无线通信 设备的应用，如手机的应用已经相当普遍，这种电磁场的干扰也在所难免。在这 种环境中，弱电压信号很容易就会受到干扰，经过放大之后就产生了较大的偏差。 总之，弱电压信号的长距离传输是很不可靠的，要改善采集系统的准确性，就必 须从根本上解决干扰的问题。 2 2 新采集系统的方案设计 要抗干扰，首先可以把弱电压信号放大成较强的信号，然后再进行长距离传 输。但是p c 一7 4 3 1 的内置放大器( 放大5 0 0 倍) 不能屏蔽，没有了再利用的价 值。 使用数字信号是从根本上解决弱电压信号干扰的有效途径。考虑到信号采集 方便、采集系统的可扩展性等因素，因此需要设计一个外置的信号处理电路板。 天平输出信号后，立即进行信号处理，使其变成抗干扰能力强的数字信号。 天平输出的是几个毫伏的弱电压信号，在进行刖d 转换之前，需要放大器 对信号进行放大，然后才能进行模数转换，同时有利于提高采集系统的精度。 完成了a d 转换后得到的数字信号由m s p 4 3 0 单片机进行处理，包括数据 的读取、存储等。采集到的数据通过串口发送到工控机，由工控机的数据采集程 序完成对数据的处理，并最终呈现给操作人员。 m s p 4 3 0 是该采集系统的核心，它控制着整个的信号处理全过程，包括a d 转换、数据的处理、串口通信等。另外，它还是工控机指令的执行模块，工控机 通过m s p 4 3 0 控制数据采集系统的工作。 整个新的数据采集系统的工作原理，如下图所示： 8 山东大学硕士学位论文 m串口通信a 数字信号 毫伏电 放 伏级电 l ( 光电隔 s ，止由匾 、u b m 天 压信号、 大 压信号 dp离) 工 平 y 一 转 离) 控 。一一 4 机器 换 3 器 0 图2 2新采集系统工作原理图 在新的系统中，原有的干扰问题得到了根本解决，而且由于m s p 4 3 0 的应 用，使得系统更加灵活，扩展性得到了很大的提高，为以后其他测量系统的使用 提供了很好的硬件基础。 9 山东大学硕士学位论文 第3 章数据采集系统的主要技术原理及硬件设计介绍 3 1r s _ 4 8 5 通信协议 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业 协会( e 认) 制订并发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e 认2 3 2 e ，作为 工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。r s 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它是 为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点， r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到1 0 m b s ，传输距离延长到 1 2 0 0 m ( 速率低于1 0 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。 r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 咖l 4 2 2 a 标准。为扩展应用范围，e 认又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上制定 了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条 总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围， 后命名为咖n 4 8 5 a 标准。由于e 认提出的建议标准都是以“r s 作为前 缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作前缀称谓【7 】。 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及 接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 3 1 1r s 一4 8 5 串行接口标准 1 平衡传输 r s 4 8 5 与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输， 它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图3 1 。 l o a b c 使能 对r s 一2 3 2 是可选的 对r s 一4 8 5 是必须的 图3 1 电气原理图 容许范围 电压范围 容许范围 山东大学硕士学位论文 通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状 态，负电平在2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s 4 8 5 中还 有一“使能”端，而在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送 驱动器与传输线的切断与连接。当“使能端起作用时，发送驱动器处于高阻状 态，称作“第三态 ，即它是有别于逻辑“1 与“0 的第三态。接收器也作与 发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连，当在接收 端a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于2 0 0 m v 时，输出 负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之间。参见 图3 2 。 传臻电压厄捆 图3 2 2 r s 4 8 5 电气规定 由于r s 4 8 5 是从r s 4 2 2 基础上发展而来的，所以r s 4 8 5 许多电气规定与 r s 4 2 2 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。r s 4 8 5 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时，与r s 4 2 2 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个 主( m a s t e r ) 设备，其余为从设备，但它比r s - 4 2 2 有改进，无论四线还是二线 连接方式，总线上最多可接3 2 个设备。 r s 4 8 5 与r s 4 2 2 的不同还在于其共模输出电压是不同的，r s 4 8 5 是7 v 至+ 1 2 v 之间，而r s 4 2 2 在7 v 至+ 7 v 之间，r s 4 8 5 接收器最小输入阻抗为1 2 k q ，r s 4 2 2 是4 kq ；r s 4 8 5 满足所有r s 4 2 2 的规范，所以r s 4 8 5 的驱动器 可以用在r s 4 2 2 网络中应用。 r s - 4 8 5 的最大传输距离约为1 2 0 0 米，最大传输速率为1 0 m b s 。平衡双绞 山东大学硕士学位论文 线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆 长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长双绞线最大传 输速率仅为1 m b 居。r s - 4 8 5 需要2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性 阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在3 0 0 米以下不需终接电阻。终 接电阻接在传输总线的两端。 3 1 2r s 一4 8 5 的优势 由于r s 2 3 2 c 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： ( 1 ) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与t r l 电 平不兼容故需使用电平转换电路方能与t r l 电路连接。 ( 2 ) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s 。 ( 3 ) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这 种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 ( 4 ) 传输距离有限，最大传输距离标准值为1 5 2 4 米，实际上也只能用在 5 0 米左右。 针对r s 2 3 2 c 的不足，r s 4 8 5 具有以下特点： ( 1 ) r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示： 逻辑“0 以两线间的电压差为( 2 - - 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降 低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与1 阻电平兼容，可方便与t r l 电路连接。 ( 2 ) r s 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s ( 3 ) r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增 强，即抗噪声干扰性好。 ( 4 ) r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为1 2 1 9 米，实际上可达3 0 0 0 米， 另外r s - 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利 用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 由于数据采集系统工作在风洞实验段，噪声非常大，需要其有较好的抗噪 声干扰的能力。因r s 4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站 1 2 山东大学硕士学位论文 能力等上述优点，就使其成为首选的串行接口。 3 1 3r s 一4 8 5 传输电缆的长度 在使用r s 4 8 5 接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号 传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号 失真及噪声等影响所限制。下图所示的最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使 用2 4 a w g 铜芯双绞电话电缆( 线径为0 5 1 m m ) ，线间旁路电容为5 2 5 p f m ， 终端负载电阻为1 0 0 欧时所得出。( 曲线引自g b l l 0 1 4 8 9 附录a ) 。 由图中可知，当数据信号速率降低到9 0 l ( b i t s 以下时，假定最大允许的信 号损失为6 d b v 时，则电缆长度被限制在1 2 0 0 m 。实际上，图中的曲线是很保守 的，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。而天平至工控机的距离只有不 到2 0 m ，因此r s 4 8 5 通信能够可靠地进行工作。 t 0e 苎三烹要曩! 署要要三未三置量要露兰夏至曼e 量穗 = = ：皇= ：= = = ：= = ：= ；= ：= = = ：= ：_ ：= = 享= ；：= ；：东； 1 a e ，r 一箭 ：二i 二强 i 上 l f y | ； ；：；： ：r 、 ，r h ” v ”， ，ir 。、 叫 i r t 一 1 l 二1 争 ! ； j ，v i ： ； ：+ i ”； ， 誓 j ：，： qi 一、。l 一，i ； j：4 ； i ； 囊；i； i o tj 0 3 并 d 矗r 矗矽净了 3 2 数据采集系统的硬件设计 图3 3 i 弼：荆 一 罄芏芑s 新的数据采集系统方案确定后，通过各个功能模块的开发来实现整体方案 的设计。 1 3 _luul；：上az一o” 山东大学硕士学位论文 3 2 1 放大电路 天平输出的弱电压信号，首先要进行放大，才能进行后面的a d 转换工作。 源信号是3 5 m v 的电压信号，拟对其放大5 0 0 倍，以方便后面的信号处理。 跟据放大倍数和精度等方面的要求，采用仪表放大器矾a 2 1 2 8 来完成放大 工作。 眦1 2 8 是美国1 r i 公司生产的低电压通用型双通道仪表放大器，其特点如 下： 低失调电压：5 0 pv m 觚： 低漂移：o 5pv m 觚； 高共模抑制比：1 2 0 d bm i n ； 宽通带：2 0 0 k h z ( g = 1 0 0 ) ； 输入过压保护：4 0 v ； 宽电源电压范围：2 2 5 1 8 v ； 由于特性优良，加之体积小，双通道，灵活的三运放设计，并可用一个外部电阻 方便地从1 到1 0 0 0 0 设定增益，使得矾a 2 1 2 8 能够广泛应用于信号采集放大、 医用仪器及多通道系统等很多领域【羽。 工作原理及引脚的连接如图3 4 所示： v 1 4 图3 4n 叮a 2 1 2 8 工作原理及引脚连接 山东大学硕士学位论文 放大倍数g 取决于增益电阻的阻值r g ，具体关系如下： g ；1 + 型里 放大5 0 0 倍时，r g = 1 0 0 2q ，一次在进行电路设计时，需在烈a 2 1 2 8 外围 添加一个r g = 1 0 0 2 q 的电阻。 为了使i n a 2 1 2 8 工作更稳定，其电源输入端应就近连接一个0 1 u f 的电容， 以起到滤波的作用。另外在设计电路时，为了减小通道间的相互干扰，应尽量使 信号输入引线远离正通道，并把两根差分输入信号线分别布置在正反两个板面 上。 3 2 2a d 转换 原信号经过放大器矾a 2 1 2 8 后，被放大为1 5 2 5 v 的电压信号，超出了 m s p 4 3 0 的工作电压范围，不能再使用m s p 4 3 0 本身带的a d 功能，只能通过外 接a 巾转换器来实现a ，d 转换。经过比较筛选后，选择使用t l c 3 5 4 3 。具体有 一下特点： 1 2 位精度： 1 1