（电子科学与技术专业论文）多组态数据采集模块的设计与实现.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ef h n h e ra d v a j l c e m e n to fr e f o r ma n do p e n i n g ， t h e p r o c e s s o f i n d u s t r i a l i z a t i o nb e i n ga c c e l e r a t e d ，i tw 订lb ead i r e c t i o no fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n tt b a ti n d u s t r i a li n s t r u m e n t a t i o ni n v 0 1 v e d i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa r e b e i n gm a d ead i g i t a l t r a n s f o r m a t i o na n do n l i n eu n m a n n e dr e a l t i m e m o n i t o r i n g s y s t e m si nw o r k s h o p sa r eb e i n gd e s i g n e d t h en e wr e q u i r e m e n t sb r u n gt h en e w d e v e l o p m e n ta r es t 订lo fg r e a ts i g n i 6 c a n c ef o rt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e c a nb u s a sam e a no fd a t at r a n s m i s s i o n ， i nt h i s t h e s i s ， am u l t i - c o n f i g u r a t i o ns t a t ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ew h i c hc a nb ew i d e l yu s e d i nav a r i e t yo fd a t aa c q u i s i t i o na n d r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dt oo v e r c o m et h es h o n c o m i n go f m o n o f u n c t i o n a lt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e so nt h ec u r r e n tm a r k e t m u l t i _ c o n f i g u r a t i o ns t a t ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei sm a i n l ym a d eu po fp o w e r s u p p l yc i r c u i t s ，m i c r o p r o c e s s o rc i r c u i t s ，m u l t i - c o n f i g u r a t i o ns e l e c t i o nc i r c u i t ，a n a l o g i n p u tc i r c u i t ， s w i t c hi n p u tc i r c u i t ，s w i t c ho u t p u tc i r c u i t ， p u l s ei n p u tc i r c u i t ， t h e r e a l i z a t i o no fc a nb u sp r o t o c o lc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nc o d e o ft h e m u l t i - c o n f i g u r a t i o ns e l e c t i o nc i r c u i t ，a n dw i t ho fc h o i c ea n dc o n t r o lb ys o f t w a r e ，1 1 k i n d so fc o m b i n a t i o no ff u n c t i o n s ，i n c l u d i n ga n a l o gi n p u t ，s w i t c hi n p u t ，s w i t c ho u t p u t a n dp u l s ei n p u t ，c o u l db ea c h i e v e ds i m p l ya n df l e x i b l yw i t h o u tc h a n g i n gt h eh a r d w a r e t h r o u g h t h ec a nb u s ， m u l t i c o n n g u r a t i o n d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l ec o u l db e c o n n e c t e dw i t hl o c a la r e an e t w o r kt of a c i l i t a t ed a t ac o l l e c t i o na n dr e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e m s ，a n dc o u l db ew i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a so fi n d u s t r i a lc o n t r o lt o m e e tt h ea c t u a ln e e d s ( 1 ) t h eo v e r a l ld e s i g na n dd e t a i l e dd e s i g nr e q u i r e m e n t so fm u l t i c o n n g u r a t i o n s t a t ed a t aa c q u i s “i o nm o d u l ew a sd i s c u s s e di nd e t a i l ( 2 ) p h i l i p s sp 8 9 c 6 6 8 h f a a st h em a i nc o n t r o lm i c r o p r o c e s s o rc h i p s ，h a r d w a r ew a s d e s ig n e d w i t h11a l t e r n a t i v ek i n d so ff u n c t i o n a lc o m b i n a t i o n s a n d m u l t i c o n f i g u r a t i o ns t a t ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eo ft h eu n i tc i r c u i t sp r i n c i p l ea n d m e t h o dw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l s ，a n dt h el i n e a r i t y ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u ta n d o u t p u to fv o l t a g ec o n v e r s i o nn e t w o r ka b o u ta n a l o gi n p u tw e r ef o c u s eo na n a l y s i s ，a s w e l la st h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i c o n f i g u r a t i o nu n d e rt h ec o n t r o lo ft h em o d u l e s s o f t w a r ef 0 c u s e do nd e s i g ni na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g no fm u l t i - c o n f i g u r a t i o no ft h e g u i d i n gt h o u g h t ( 3 ) b a s e do nt h ek e i lc 51m i x e dp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，t h es o f i t l a r ed e s i g n i i i t h o u g h tw a sd e t a i l e d l ya n a l y s e df r o m t h r e ep a r to ft h es j al0 0 0d r i v e r ，a dd r i v e r ， m a i np r o g r a mb yc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o d u l e sh a r d w a r e ，b e s i d e s ，s o m e o ft h ec o r es o u r c ec o d ew e r ei n t r o d u c e d ( 4 ) i tw a sp r o v e dt h a tt h em u l t i c o n n g u r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eh a sh a d s a m ea d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm o n o f u c t i o n a l d a t aa c q u i s i t i o n m o d u l et h r o u g hm u l t i c o n n g u r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eu s e d i nl a r g e _ s c a l e 7 r a m p i n gm a c h i n e0 8 3 2i nt h el o c o m o t i v ed e p o to f t h eg u a n g z h o ur a i l w a yg r o u p t h e r e f o r e t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h em u l t i c o n f i g u r a t i o n d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l eh a sl i n e dw i t ht h ea c t u a lu s ea n dc o u l db eu s e df o r av a r i e t yo f d a t aa c qu i s i t i o n k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；m u l t i c o n 6 9 u r a t i o n ；r e m o t em o n i t o “n g ；c a nb u s ； a dc o n v e r s i o n ；c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 储躲夕夕左 吼母夕删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 力；急 趵溺 日期：刍哆年，月3 p 日 日期：即年j 月；。日 硕l ：学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据 采集，而其相应的系统则称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 【卜3 。， 起始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 6 年美国首先研究这种数据测试系统，并应用于军事 领域，目的是在测试中，不再依靠熟练的测试人员通过相关测试文件来测试，而 是通过数据采集系统这种高速自动的设备自动控制完成。由于这种数据采集装置 及其系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足许多传统的人工的方法不能完成 的数据采集及测试与控制，因而得到了认可，并逐渐从军事领域向民用领域转移。 大约在6 0 年代后期，在国外就有成套的专用数据采集设备产品进入市场，应用于 一些专用场合【4 1 。 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它主要研究信息数据的采集、存 储、处理以及控制等，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了 现代检测技术的基础”j 。数据采集设备( 也叫数据采集模块) 可以是抽象的模拟量 数字化，进而给出其量值，或通过信号处理技术对该模拟量做相应分析与处理。 相比于模拟系统，采用数字技术的数据采集模块具有精度高、可靠性优等特点。 随着2 0 世纪8 0 年代计算机的普及与应用、微型机的发展、集成电路特别是 单片机的飞速发展，以数据采集模块为基础的数据采集系统得到了长足的发展， 应用越来越广泛，如温度、压力、位置等模拟量的采集，工业无人值守控制领域， 楼宇智能化设计等，并逐渐发展为两大类：一类是采用平行总线的数据采集系统， 另一类是采用串行数据总线的数据采集系统。各自应用于不同的领域。 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【6 j ，p c i 、p x i 总线系统【7 】等，数据位数已达到3 2 位总线宽度，采样频率 可以达到1 0 0 m s p s ( m i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d ，百万取样每秒) 【8 】。但是这类产 品由于采用了高密度、屏蔽性好的连接器和卡式模块设计，其价格非常昂贵，在 民用领域的普及相当困难，主要应用于军事领域。 串行总线数据采集系统向分布式结构、智能化和小型化方向发展，随着电子 技术和工艺的不断提高，其可靠性不断增强。这类数据采集系统一般采用r s 4 8 5 、 c a n 、电力载波、无线、光纤等方式传输数据，可选择性多，价格便宜：因此这 类系统在各个民用领域极易得到推广。如今在工业现场的数据采集、控制等众多 领域得到了广泛应用。随着网络技术的发展，局域网技术在工厂车间的应用，采 集车间各种数据的底层设备可以通过r s 2 3 2 、t c p i p 、u d p 【9 】等网络协议与局域网 多白l 态数据采集模块的设计j 实现 联机，实现工业生产过程的在线实时监测与控制。 随着改革开放的深入，工业化进程将加快，对工业生产过程中的仪器仪表进 行数字化改造，设计车间无人值守的在线实时监控系统将成为工业技术改造的一 个方向。新的发展带来新的需求，这些需求对数据采集模块的研究仍然有重要意 义。 1 2 数据采集模块发展现状 工业和制造业的各个领域陆续向规模化方向发展，对自动化程度的需求越来 越广泛，对自动控制系统的要求也越来越高，而各种自动控制系统也在这种广泛 的需求中得到了快速发展。数据采集系统是最早出现在过程控制系统中的一种计 算机应用形式，这也是计算机参与控制的第一步。随后数据采集系统也得到了更 广泛的应用和发展，被应用到了各行各业中【l o j 。 数据采集模块是整个工业和制造业自动化的最前端，它把物理世界的各种电 量形式的物理信号作为输入，和计算机一起连接组成监测和故障诊断系统。数据 采集模块的测试精度、速度与在同成本下实现多功能是几个重要因素，数据采集 模块也正朝这几个方向发展。 目前国内市场的数据采集模块一般都是基于c a n 总线、r s 4 8 5 总线、u s b 、 电力载波等数据传输方式开发的，广泛应用于各种领域，为国内工业自动化进程 做了巨大贡献，但是在技术上仍然有一定不足，主要表现在【l l 】： ( 1 ) 由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现 场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能 较弱； ( 2 ) 设备的软件水平，仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊 断专家系统还需完善软件人机界面有待改进； ( 3 ) 现有模块能独立采集的数据类型比较单一，在采集的数据类型比较多的场 合，需要安装多个不同类型的数据采集模块，不利于成本和空间的节约。 1 3 研究多组态数据采集模块的意义 c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t 的缩写，即控制器局部网，它是一种支持分布式 控制或实时控制的串行数据通讯协议，最初是由b o s c h 公司为汽车的监测、控 制系统而设计的，现在已经广泛应用在工程控制、楼宇智能控制等领域。经过多 年发展，在2 0 0 0 年形成了一个由8 个部分组成的i e c 6 1 1 5 8 国际标准。其中包括 基金会场总线( f f ，f o u n d a t j o nf i e l db u s ) ，l o n w 6 r k s ，p r o f i b i j s ，c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) ，h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等1 1 2 儿1 j j 。c a n 协 议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，模型结构只有o s i 底 2 硕十学位论文 层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。c a n 总线具有可靠性高、数据传输速 率高、传输距离较长、实时性强等特点，相对于其他总线主要有以下优点【1 4 16 。 ( i ) c a n 总线为多主工作方式，网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向 其他节点发送信息，不分主从，方式灵活； ( 2 ) c a n 网络节点可以安排优先级顺序，以满足和协调各自不同的实时性要求； ( 3 ) 采用非破坏性的总线仲裁技术，多点同时发送信息时，按优先级顺序通信， 节省总线冲突仲裁时间，避免网络瘫痪； ( 4 ) 可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息； ( 5 ) 通信速率最高可达l m b p s ( 4 0 m 以内) ，最长传递距离达l o k m ( 速率为5 k b p s 以下) ： ( 6 ) 网络节点目前可达1 1 0 个，报文标志符2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，扩展标准 ( c a n 2 o b ) 中的报文标志符几乎不受限制； ( 7 ) 短帧数据结构，传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好； ( 8 ) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤； ( 9 ) 网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，脱离网络； o o ) 实现了标准化、规范化( 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ) 。 c a n 总线由于其诸多优点，已在汽车控制系统，工业现场网络控制系统，楼 字控制系统等方面得到了广泛应用【1 7 l 。基于c a n 总线的各种数据采集与控制模块 在国内外各个领域都得到了广泛应用，并还将继续发展和推广。 针对现有数据采集模块输入数据类型单一的缺点，本文基于c a n 总线研制的 数据采集模块是一种具有远程数据传输功能和集成了多种功能的数据采集设备， 该模块集成了模拟量输入、脉冲输入、开关量输入、开关量输出等功能以及它们 的组合，以其在多功能实现上的灵活性适应工业场合中监测信号的多样化的需求， 在节约成本的同时，确保工业生产过程的安全与稳定。 1 4 本文主要研究的内容 项目将要完成软硬件的开发以及系统的运行测试，工作量很大，因此必须有 条理地在以下方面开展研究工作： ( 1 ) 多组态数据采集模块的总体设计构架及方案论证 这部分主要讨论多组态数据采集模块的总体设计思想，包括数据采集系统结 构、多组态数据采集模块的总体结构框图、实现多组态的指导思想、各种组态的 技术指标四个部分。 ( 2 ) 多组态数据采集模块的硬件设计与实现 这部分详细分析多组态数据采集模块的硬件实现，本文将分别从模拟量输入 单元、开关量输入单元、开关量输出单元、脉冲量输入单元、c a n 协议实现电路 多组态数据采集模块的设计j 实现 等功能模块详细论述硬件的设计思想与实现，并将从功能模块与微处理器的接口、 功能模块的输入输出端口与接线端子的连接、功能码与组合功能的设计三个方面 详细讨论多组态的实现。 ( 3 ) 多组态数据采集模块的软件设计与实现 这部分将从多组态数据采集模块的各模块功能详细分析各功能函数的实现思 路与方法，包括c a n 程序模块、a d 程序模块、主程序模三个部分。 ( 4 ) 模块应用实例 这部分通过分析多组念数据采集模块在广州铁路集团机务段的0 8 3 2 国产养路 机车上安装运行的实例证明该模块的实际使用效果。将从基于多组态数据采集模块的 大型养路机车数据采集系统的设计、多组态数据采集模块的配置、多组态数据采 集模块的应用结论三个方面讨论。 希望通过本文的研究，为基于c a n 总线技术的数据采集模块深入研究打下一 个良好的基础，能使数据采集模块在工业、汽车等控制以及楼宇智能建筑等领域 有一个新的发展。 4 硕，t ：学位论文 2 1 概述 第2 章多组态数据采集模块总体设计 目前，基于数据采集模块的数据采集与控制系统在工业领域应用非常广泛。 在工业领域中存在大量远程数据采集与控制系统，它们支撑着工业领域中各种生 产环节的正常运行。具体应用如工厂的水、电、煤气等能源的调度系统，楼宇智 能化综合自动化系统等。 j e h r l i o h 给出了数据采集系统定义【1 8 】：“数据采集系统是一组硬件和软件资 源，它采集外部的数据并以计算机专有的数据格式存储，同时将这样的数据转化 成外部可以理解的格式，并将这种外部格式以一定的形式显示出来。”其中数据采 集系统的硬件核心部分就是数据采集模块，其主要功能是把各种信号( 包括模拟 量、脉冲量、开关量等) 转换成模块识别的数字信号，简单处理后传输给计算机 做进一步分析和处理。数据采集模块在数据采集系统中充当很重要的角色，它与 底层物理设备连接，负责各种设备的数据的采集和对各种设备的控制，是工业控 制和监控系统的基础。基于一般数据采集模块的数据采集与控制系统的结构一般 如图2 1 所示【”j 。 图2 1 典型的数据采集与监控系统框架图 数据采集与监控系统的硬件部分主要包括以下各部分： 传感器组 传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、 电阻式测温计( r t d ) 、热敏电阻器和i c 传感器可以把温度转变为模拟数字转化器 多纽态数据采集模块的设计2 j 实现 ( a n a l o g - t o - d i g i t a l ，a d c ) 可测量的模拟信号。其它例子包括应力计、流速传感器、 压力传感器等，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传 感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号，实现物理世界的各种物理 量到电信号的转变，使数据采集模块能够识别各种要被监控的物理量。 信号调节的硬件设备 为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。 为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和 滤波；对比较大模拟信号能进行电压调节；对电平比较高的开关量以及脉冲量信 号进行电平调节，使之适合数据采集设备的输入范围等。 数据采集控件 读取信号调节电路输送过来的各种数据，同时把监测与控制中心的控制信号 输出给驱动电路，驱动执行器驱动物理世界的动作： 数据集中器 负责多个数据采集模块的数据集中和传输协议的转换； 监测与控制中心 由计算机组成，负责远程管理整个系统的数据和远程控制物理世界。 数字i o 数字i o 包括实现开关量输入和脉冲量输入的输入口以及实现对外控制的驱 动电路和执行器电路。 当数字线被用来控制事件时，比如打开或关掉加热器、电动机或灯，由于上 述设备并不能很快地响应，因此通常不采用高速输入输出。 数字线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配以及能提供足够大的 驱动能力，以驱动物理世界做具体的动作。 监测与控制中心 监测与控制中心用p c 机构成，负责数据的处理和对物理世界的监测。 其中，数据采集控件、信号调节电路、驱动电路构成了本文要研究的数据采 集模块，是数据采集与监控系统的核心与基础，它的性能和功能关系到整个系统 的优越性，本论文将围绕多组态的数据采集模块的设计与实现而展开。 2 2 多组态数据采集模块总体设计方案 多组态数据采集模块是基于信号分配复杂的数据采集场合而开发的，可满足 各种多种输入输出数据状态要求的数据采集与监测系统的需求。因此，多组态是 多组态数据采集模块的设计创新点，也是论文的重点。 根据实际工程需求，多组态数据采集模块要求设计成同一个数据采模块能具 有模拟量输入、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等多种功能，要求安装时 6 硕i ：学位论文 不增加或减少功能电路，工程师只需要根据现场电气特性，以最简单的方法灵活 方便地实现适合现场需要的多种功能的组合。因此，根据课题设计的硬件电路特 征，设计了能满足不同需要的1 1 种组合功能，具体功能组合如表2 1 所示。 根据要灵活实现多种功能组合的设计要求，提出了多组态数据采集模块的总 体设计方案，其结构框图如图2 2 所示。多组态数据采集模块主要包括负责数据输 入输出的模拟量输入电路、脉冲量输入电路、开关量输入电路、开关量输出电路， 负责c a n 协议在物理上实现的c a n 协议实现电路，负责模块灵活实现多组态功 能的组态选择电路和端口组合电路，负责管理整个模块工作的微处理器电路等功 能电路。 现场使用时，工程师根据现场的电气特性，通过模块的组态选择电路选择适 合现场需要的多组态数据采集模块的功能，通过端口组合电路实现输入输出信号 的灵活组合。模拟量输入电路负责模拟量的电压变换和模数转换；脉冲输入电路 把脉冲量电平变换成微处理器可直接识别的数字电平，供微处理器计数使用；开 关量输入电路把开关量电平匹配到微处理器可识别电平，供微处理器读取；开关 量输出电路提高微处理器输出驱动能力，以能驱动物理世界动作；微处理器把采 集到的物理世界的各种数据打包成c a n 协议帧格式，通过c a n 协议实现电路传 输到c a n 总线上，送到远程监测和控制中心，同时微处理器识别监测和控制中心 通过c a n 总线发过来的对物理世界的控制信息，从开关量输出通道输出到执行器 驱动物理世界动作。 多组态的实现是数据采集模块设计的一个创新点，也是本文的重点，论文将 对多组态的实现以及它在工程实际应用中带来的效益重点阐述。 表2 1 多组态数据采集模块功能组合表 7 多组态数捌采集模块的设计o j 实现 图2 2 多组态数据采集模块结构框图 2 4 多组态数据采集模块技术指标 模块要求采用2 4 个接线端子封装设计，由2 4 v 蓄电池供电，电源电压容许误 差为5 v ，各输入输出功能模块技术指标如下： ( 1 ) 模拟量输入技术指标 实现模拟量输入必须用到a d 转换器件，a d 转换器件的品种繁多、性能各 异，在设计数据采集系统时，选择合适的a d 转换器件与模拟量输入的技术指标 是直接相关的。因此，模拟量输入技术指标的确定涉及到以下a d 转换器件的参 数选定： a d 转换器位数 a d 转换器的位数应与测量装置的精度相匹配。也就是说，一方面要求量化 误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须根 据目前测量装置的精度水平，对a d 转换器的位数提出恰当的要求。 目前，大多数测量装置的精度值不小于0 1 0 5 ，为使量化误差在总误差 中所占的比重要小，取测量精度要求的l 10 设计，故a d 转换器的精度取 o 0 5 0 1 ，相应的二进制码为1 0 1 1 位，加上符号位，即为1 1 1 2 位。当有特 殊的应用时，a d 转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度的转换方案。 本文设计的多组态数据采集模块主要是针对0 8 3 2 型大型养路机车的电气部 件的数字化改造工程而设计的，其需要输入的模拟量最小变化是前后电子摆 2 5 m v m m 1 5 0 m m ，并且是经过1 2 倍倍率的电压线性变换网络，需要的精度为： 2 5 ( 10 0 0 l5 ) = o 0 0 l6 7 v ，而1 2 位的精度为0 0 0 2 4 4 v ，所以必须选择16 位的a d 转换器件设计。 a d 转换器件的转换速率 硕卜学位论文 a d 转换器件从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换 时间。转换时间的倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。 确定d 转换器件的转换速率时，应考虑系统的采样速率。例如，如果用转 换时间为1 0 0i is 的a d 转换器件，则其转换速率为l o k h z 。根据采样定理和实际 需要，一个周期的波形需采1 0 个样点，那么这样的a d 转换器件最高也只有处理 频率为l k h z 的模拟信号。把转换时间减小，信号频率可提高。对一般的单片机而 言，要在采样时间内完成a d 转换以外的工作，如读数据、再启动、存数据、循 环计数等已经比较困难了。 本文设计的多组态数据采集模块主要检测的物理量是静态的直流模拟量，对 采样速度要求不高，可以采用低速的a d 转换器件，所以本文的转换速率设计指 标定为：2 次每秒( 8 通道每次) 。 采样保持器 采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时可不用采样保持器。对于其他模拟信 号一般都要加采样保持器。如果信号频率不高，a d 转换器件的转换时间短，即 采样高速a d 时，也可不用采样保持器。 d 转换器件量程 ， 刖d 转换时需要的是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有的从零 开始，也有从非零开始的。有的转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用， 才能保证转换精度。在使用中，影响a d 转换器件量程的因素有：量程变换和双 极性偏置；双基准电压；a d 转换器内部比较器输入端的正确使用。 本文要求的量程最大可达( 2 4 5 ) v ，取最大可能输入设计，因此模拟量输 入信号范围设计成3 0 v 。 综合以上分析，得到本文模拟量输入的设计技术指标如下： 模拟量要求隔离8 路单端输入； 输入信号范围：； a d 转换分辨率：1 6 位； 转换速率：2 次每秒( 8 通道每次) ( 2 ) 开关量输入技术指标 开关量输入的实质就是外部数字信号输入微处理器的过程。外部数字信号高 电平在不同场合不同，一般有3 3 v 、5 v 、1 2 v 、2 4 v 等，低电平一般低于0 7 v ， 因此开关量输入一个重要的指标是开关量输入容许的电压范围，具体指标要求如 下： 开关量非隔离8 路输入； 开关量输入信号范围： 高电平：+ 3 + 3 0 v 9 多组态数据采煲模块的设计j 实现 低电平：不高于1 v ( 3 ) 开关量输出技术指标 开关量输出主要是由微处理器的i o 口输出一个高低电平，通过驱动电路驱 动执行器动作。外部物理世界的执行器动作需要的电流电压不同，一般需要最大 可达2 4 v 电压，以及较大电流驱动，因此具体指标要求如下： 开关量非隔离8 路输出； 开关量输出信号： 集电极开路输出或漏极开路输出，最大负载+ 3 0 v 电压，3 0 m a 电流 ( 4 ) 脉冲量计数技术指标 脉冲量计数的实质是完成对物理世界某个脉冲传感器的输出的统计。物理世 界脉冲传感器产生的脉冲量电平一般为数字电平，因传感器的多样性，脉冲量高 电平电位多种多样，一般有3 3 v 、5 v 、1 2 v 、2 4 v 等输出形式，低电平一般不高 于0 7 v ，因此脉冲量计数一个重要的指标是脉冲量输入容许的电压范围，具体指 标要求如下： 非隔离单路输入； 一路溢出输出标志； 高电平：+ 3 + 3 0 v ； 低电平：不高于1 v 计数器位数：3 2 位； l o 硕 ：学位论文 第3 章多组态数据采集模块的硬件设计 硬件电路是多组态数据采集模块的工作基础，其设计的好坏，将直接影响到 数据采集和监控系统对物理世界的监测和控制的可靠性，从而关系到生产的安全 与效率。 多组态数据采集模块包括模拟量输入、开关量输入、开关量输出、脉冲量输 入、c a n 协议实现以及多组态实现电路等功能电路。现有分立的模拟量输入c a n 模块、脉冲量输入c a n 模块、开关量输入输出c a n 模块很多，但是灵活的、多 组态的数据采集模块的设计还是空白。数据采集的多组态性是本设计的创新点， 同时也是本文和本章的重点和难点。本章将从各功能模块电路详细分析硬件的设 计与实现。 3 1 微处理器电路 微处理器需要实现的功能比较多，程序代码大，需要比较大的程序存储空间， 在不做外部程序存储空间的前提下，选用内部程序存储空间足够大的单片机作为 本设计的微处理器，因此选用飞利浦( p h i l i p s ) 电子公司的方形封装( 4 4 脚p l c c ， p q f p ) 的8 位微处理器p 8 9 c 6 6 8 h f a 。该微处理器具有以下特点f 2 0 】【2 1 】： ( 1 ) 具有8 0 c 5 1 增强核的所有特征； ( 2 ) 新增了l k b 的片内引导r o m 固件( 装有装载程序核擦除、烧写f l a s h 的多 种子程序) 核i s p ( 在系统烧录) 、i a p ( 在应用烧录) 功能； ( 3 ) 片内程序存储空间大，可到达6 4 k b 。 一 考虑到数据采集模块系统中单片机的外接电路比较多，i o 接口资源比较紧 张，p 8 9 c 6 6 8 h f a 单片机采用总线工作方式连接成最小系统，其硬件连接图如图3 1 所示。 一般来说，单片机的最小系统包括电源( 地) 、晶振、复位电路。有了以上三 块内容，单片机就能够工作了2 2 1 。 ( 1 ) 晶振 晶体振荡器选用2 2 1 4 8 m ，直接连接到p 8 9 c 6 6 8 h f a 的第2 0 、2 1 脚，并通过2 0 p f 的电容连接到地。 ( 2 ) 复位电路 为了模块工作更可靠，防止死机现象出现，复位电路选用集成电路c a t l l 6 1 实现，同时给单片机提供一个1 6 k b 的辅助片外数据存储区间。当系统由于软件或 硬件干扰而被终止或“挂起”超过1 6 秒时，看门狗电路将复位系统，使系统恢复 正常，复位信号保持时间为2 0 0 m s 。c a t l l 6 l 的看门狗电路监控着s d a ，这就可以 多自l 态数据采集模块的设计j 实现 g n d+ 5 g n dc a t l1 6 1 w i d l e d d l e d + s 2 1 s 2 2 s 2 3 s 2 4 a d d i n g s d a r s t a d r s t a d r d y i n t d a d o u t m c l a d s c l k c l lr d x l p f = 1 y 1 3 l 也2 1 3 t lx 2 g n d2 0 p u 5 n c p 1 0 ( t 2e x ) p 1 1 p 1 2 p 1 3 p 1 4 p 1 _ 5 p l - 6 p 1 7 r s t ( r x d ) p 3 口 n c ( t x d ) p 3 1 ( i n t 0 ) p 3 2 ( i n t l ) p 3 3 ( t 0 ) p 3 4 ( t 1 ) p 3 5 ( w r ) p 3 6 ( r d ) p 3 7 x t a l 2 x t a l l g n d v c c p 0 d ( a d 0 ) p 0 1 ( a d l ) p 口2 ( a d 2 ) p 0 3 ( a d 3 ) p 0 4 ( a d 4 ) p 0 5 ( a d 5 ) p 0 6 ( a d 6 ) p 0 7 ( a d 7 ) e a ，p n c a l e _ i p r o g p s e n p 2 7 ( a 1 5 ) p 2 6 ( a 1 4 ) p 2 5 ( a 1 3 ) ( a 1 2 ) p 2 4 ( a 1 1 ) p 2 3 ( a 1 0 ) p 2 2 ( a 9 ) p 2 1 ( a 8 ) p 2 0 n c + 5 + 5 c 1 9 1 0 4 图3 1p 8 9 c 6 6 8 h f a 单片机最小系统图 省去额外的p c 板跟踪电路。c a t l l 6 1 的引脚说明如表3 1 所示。 c a t l l 6 1 监测到s d a 上在1 6 s 内无电平变化时，通过高电平复位引脚r e s e t 输 出一个高电平到单片机的复位引脚r s t ，使因某种原因死机的单片机系统重新启 动，继续执行任务，确保了系统的可靠性。同时单片机还可以通过s d a 和s c l 写入 一些数据到c a t l l 6 1 的存储空间，实现数据存储空间的扩展。 ( 3 ) 特殊引脚的连接 p 3 3 ( a l e p r o g ) ：总线方式连接时，输出用于锁存地址的低位字，需连 接到总线连接的外部芯片的a l e 引脚。 鼯要嚣要巍要薄i!l!l卜一23456789一加一n一心一nh一坫一m一一璩一碍一加一孔一砣 硕 j 学位论文 p 3 5 ( e a v p p ) ：程序存储器的内外选通线。当e a = 1 时，选取内部程序存 储器中的指令，当片内程序存储器存放的指令读完后再读外部存储器指令；当 e a = 0 时，不管片内有无程序存储器，一律读取外部程序存储器指令。由于本系统 只使用了片内程序存储器，所以该引脚直接连接到+ 5 v 的高电平。 表3 1c a t l l 6 1 的引脚说明 3 2 电源电路设计 数据采集模块在同一电路板上包含数字信号和模拟信号，模拟信号来自外部 的输入，往往存在因物理世界工作环境的恶劣而带来的振动、电磁等干扰，为了 保证外部输入的模拟量不影响模块其它部分的工作，模拟部分必须与模块本身的 数字部分隔离，因此电源必须分相互隔离的数字电源和模拟电源两部分设计。 3 2 1 数字部分电源 数字部分电源主要给微处理器、c a n 部分、开关量输入、开关量输出、脉冲 量输入五个部分供电，由2 4 v 电源提供，考虑供电电源容许5 v 的误差，因此需要 选用一个宽压输入、功率比较高、输出稳定的电压调节器，把电压调节到系统可 用的稳定的5 v 数字电压。 我们习惯上采用线性稳压器件( 如7 8 x x 系列三端稳压器) 作为电压调节和稳 压器件来将较高的直流电压转变成系统所需要的工作电压。这种线性稳压电源的 线性调整工作方式在工作中会有大的“热损失 ( 值为v 压降i 负荷) ，当输入电压 和输出电压压差比较大时，其工作效率不高，不适合本文的设计要求。而开关电 源调节器件以完全导通或关断的方式工作，其效率大大提升，达到7 0 9 0 ，“热 损失 比线性稳压电源小得多【2 3 1 ，同时开关电源的结构中由于中间没有变压器和 散热片，因而体积非常小，并且开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。 l m 2 5 9 6 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 a 的驱动 电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3 3 v 、5 v 、1 2 v ， 多组态数掘采集模块的设计o j 实现 可调版本可以输出小于3 7 v 的各种电压，器件“热损耗”小，发热小，使用寿命要 长，完全适合本论文多组态数据采集模块的数字电源设计要求。 l m 2 5 9 6 开关电压调节器内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 15 0 k h z ，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件 只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了l m 2 5 9 6 的使用，极大 地简化了开关电源电路的设计。其固定输出5 v 的经典应用电路如图3 2 所示。 u 1 4 l m 2 5 9 6 g n d 图3 2 数字电源电路 数字电源的设计关键是输入电容c 1 7 、输出电容c 2 4 、齐纳二极管d 4 、电感l 2 的选择【2 4 1 。 ( 1 ) 电感的选择 电感的