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武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书数据采集及处理系统的设计1 设计方案1.1 设计原理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。1.2 设计方案认证因为设计架构较简单，可以选择一些性能参数不是太高但是能满足设计要求、价格低廉的芯片。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。尤其高性能的A/D转换器件不断推出,选择一种A/D转换器满足多路数据采集还是比较容易的。因此，设计中选择了多路选择开关4067。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；多个通路共用一个数/模转换器，即转换成模拟电压后，通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。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。还要用多路开关，且要求输出采样保持器与采样时间之比较大。2输入输出通道2.1 输入输出系统框图输入输出通道及CPU的一般构成如图1所示，主要由数据采集、采样保持、A/D数据转换、CPU、D/A数据转换和输出部分组成。图1 系统框图2.2 输入输出通道的组成（1） 数据采集 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。根据要求，输入模拟信号为020mV，而A/D转换芯片0808输入为-5V+5V，为了提高分辨率，我们将输入信号进行放大，采用了同相比例放大电路。（2） A/D转换器实现模拟量变换成数字量的设备，ADC0808/0809是带有8：1多路模拟开关的8位A/D转换单片CMOS芯片，所以它可有8个模拟量的输入端，由芯片的A，B，C三个引脚来选择模拟通道中的一个。ADC0808/0809内无时钟，必须靠外部提供时钟，在进行应用设计时，推荐使用640KHz左右的时钟频率。图2 ADC0809芯片因为在PROTEUS ISIS里没有ADC0809的仿真模型，很多人都遇到不能仿真含有ADC0809芯片的电路的问题，可用ADC0808代替，这两个芯片差别不大。ADC0809各引脚的功能说明如下：、：3位通道地址输入端，为三位二进制码。由000111，分别选中。：8路模拟信号输入通道。：地址锁存允许输入端(高电平有效)，当为高电平时，允许、所示的通道被选中；（该信号的上升沿使多路开关的地址码、锁存到地址寄存器中）。：启动信号输入端，此输入信号的上升沿使内部寄存器清零，下降沿使A/D转换器开始转换；：A/D转换结束信号，它在A/D转换开始时由高电平变为低电平，转换结束后，由低电平变为高电平，此信号的上升沿表示A/D转换完毕，常用做中断申请信号。：输出允许信号，高电平有效，用来打开三态输出锁存器，将数据送到数据总线。：外部时钟信号输入端，改变外接RC元件，可改变时钟频率，从而决定A/D转换的速度。A/D转换器的转换时间TC等于64个时钟周期，CP的频率范围为101280kHz。当时钟脉冲频率为640kHz时，TC为100us。和：基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。：地线。（3） D/A转换器实现数字量转换成模拟量的设备，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3 0832功能示意图 0832各主要引脚功能： ： 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。 ：输入寄存器写信号，输入，低电平有效。 由ILE、CS、的逻辑组合产生输入寄存器控制信号 。 当为低电平时，输入寄存器内容随数据线变化，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。 ： DAC寄存器的写信号， 输入， 低电平有效。 由XFER、组成DAC寄存器的控制信号。 的正跳变将输入数据锁存到DAC寄存器。：电流输出1。当DAC寄存器中全为“1”时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为“0”时，输出电流最小。：电流输出2。它与的关系是：+=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。本次设计采用单缓冲方式。0832是电流型,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。3 系统的主要功能（1） 可实现116通道的单端模拟信号采集输入；（2） 116通道数字量输入；（3） 输入电压020mV，分辨率为8位，（4）16通道数字量输出；（5）116通道模拟量输出；4 硬件电路硬件电路可概括分为两大块，模/数转换和数/模转换。4.1 模/数转换电路A/D转换由ADC0808完成。采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路,在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。提供稳定的电压供A/D转换器进行A/D转换。，差分和采样保持器是为了保证系统能个抗干扰能力，起滤波的作用。在本文中采用LF398，但是在PROTEUS中无法进行LF398的仿真，因此在最终的仿真图中没有加数字滤波部分。A/D转换部分见图4. 各通道的模拟信号经过差分电路和采样保持电路输入到0808 的输入端，根据模拟输入通道的地址，CPU向ADC0809发转换启动指令，在START和ALE的输入端即出现一个正脉冲， 在其上升沿锁存其通道选择信号， 下降沿启动A/D转换，经过大约64个时钟周卿，A/D转换结束。在转换开始时EOC输出端即由高电平变为低电平，待转换结束它又自动由低电平变为高电平。CPU发出转换启动信号后， 即通过OB 口(IC。)不断查询EOC的输出端是否-已变成高电平，若EOC已变为高电 ，就表示AD转换已经完成，这时CPU可以发读指令， 以使OE端出现正脉冲，打开ADO 0809的三态数据输出锁存器，读取A/D变换后的数据，这样即完成了一次从模拟量到数字量的转换。图4 A/D转换部分0808的数字时钟在设计时没有单独从一个时钟获得，而是从C51芯片获得，为了满足0808 的要求，中间插入了一个二分频电路，由两片74LS74组成，达到0808的时钟信号上限要求。4.2 模数转换电路为了用DAC0832进行数/模转换，可以使用两种方法对数据进行锁存。第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在不锁存状态。具体的说，就是使WR2和XFER都是低电平，这样，DAC寄存器的锁存端得不到有效电平；另一方面，使输入寄存器的有关控制信号中，ILE处于高电平，CS处于低电平。这样，当WR1端来一个负脉冲时，就可以完成一次变换。第二种方法是使输入寄存器工作在不锁存状态，而使DAC寄存器工作在锁存状态。就是使WR1为底电平，CS为低电平而ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存信号处于无效状态；另外，WR2和XFER端输入一个负脉冲，从而使DAC寄存器工作在锁存状态。这样做，也可以达到锁存目的。当DAC0832工作在单缓冲寄存器方式下，即当信号来时，D0D7数据线送来的数据直接进行D/A转换，当变高时，则此数据便被锁存在输入寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器，形成单极性电压输出。图5 D/A转换部分5 程序设计5.1 A/D转换程序（1） 程序流程图图6 A/D转换流程（2）程序：org 0000h mov r1,#20h mov r2,#8h ;数字通道 mov tl0,#0h mov th0,#0b8h mov tmod,#1h clr et0 setb tr0 mov scon,#40h mov dptr,#78ffhloop: mov a,r2 subb a,r1 jnz loop2 mov r1,#0h mov dptr,#78ffh mov r1,#0h mov dptr,#78ffh loop1: jnb tf0,loop1 clr tf0 mov tl0,#0h mov th0,#0b8hloop2: movx dptr,a ;启动A/D转换loop3: jb p1.0,loop3loop4: jnb p1.0,loop4 movx a,dptr ;读取结果 mov r1,a ;保存结果 inc dph ;开始下一通道 inc r1 ljmp loop End5.2 D/A转换程序（1） 程序流程框图图7 D/A转换流程图（2） 程序 ORG 0000H AJMP START ORG 0030H START: MOV DPTR,#0FEFFH ；置DAC0832的地址 LP: MOV A,#0FFH ；设定高电平 MOVX DPTR,A ；启动D/A转换，输出高电平 LCALL DELAY ；延时显示高电平 MOV A,#00H ；设定低电平 MOVX DPTR,A ；启动D/A转换，输出低电平 LCALL DELAY ；延时显示低电平 SJMP LP ；连续输出方波 DELAY: MOV R3,#11 ；延时子程序 D1: NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ R3,D1 RET END 6 小结体会6.1 设计的体会和心得通过此次课程设计，我得到了非常深刻的教训，由于前期的基础课程学习掌握的知识不足，在课程设计阶段深感无助。如软件方面，在以前的学习中，很多同学都学习使用PROTEUS软件进行仿真，当时我虽然安装了这款软件，但却从不以为然，结果开始课设时，打开软件却找不到芯片。基础知识方面，查阅的很多的资料，但是仍然不能透彻的理解题目要求，在模拟仿真时，对芯片的引脚功能不清楚，只能是查一个，连一个，很多知识点不能有效的整合到一起。比如，对80C51芯片，以前是学过的，可是现在都忘记了，几乎又是从零开始，在短短的三两天时间，根本不能深入学习进去，完全停留在表面，对C51的参数一无所知，数据采集后的放大部分，以及0808的时钟信号，是从C51的时钟传过来的，中间插入了个二分频，这些都是以前数字电路里的知识，可是已经不会了。遇到疑难问题时，更要虚心向老师或学习好的同学请教，在这期间，是一个很好的学习机会。6.2 设计过程中遇到的问题设计过程中，哪怕原理、理论都搞清楚了，如果不能细致入微，仍然会有很多问题需要解决，如软件中，ADC0809和LF398是无法进行仿真的，在连接好电路图以后，始终无法运行。从头看到尾，接线、元件始终发现不出问题，经过在网上翻阅资料才发现，是元件无法在PTOTEUS中使用。C51芯片的电源和地线是默认接好的，可是别的芯片却需要手动连接，这在仿真过程中很容易遗忘。利用Keil Vision进行程序生成时，程序中稍微有一点错误，都无法进行下去，但是要发现错误却要从头开始一点一点的分析。在编程时，小组成员一定要协作好，如果大家都是各自找各自的，这个编