基于自动巡回检测的数据采集系统的设计

1 基于自动巡回检测的数据采集系统的设计基于自动巡回检测的数据采集系统的设计 摘要 摘要 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁 是获取信息的主要途径 数据采集技术是信息科学的重要组成部分 随着科技发展 尤其是计算机技术 的发展与普及 数据采集技术将有广泛的发展前景 文章系统介绍了数据采集 系统的结构及其主要部分的工作原理 本文基于自动巡回检测的设计 着重介 绍了双向 8 通道多路开关 采样保持器 LF398 A D 转换器 AD574A 及其与 8051 的接口 文章阐述了数据采集系统设计的基本原理和思想 关键词关键词 数据采集 自动巡回检测 模拟多路开关 采样保持 A D 转换 单 片机 接口 The design of DAS based on The Automation Circular Monitor Abstract DAS Date Acquisition system is not only the bridge between computers but also the main way acquired information DAS is the important part of the information science With the technology developed specifically the computer technology developed and widely used Date Acquisition technology is being used widely in diverse fields The article introduces the structure and principle of the main part of the DAS In the basic of the automation circular monitor design the article introduces emphasize double way eight opening switch CD4051 S H LF398 Analog Digital converter ADC AD574A and the interface between MC 8051 and AD574A Also the article introduces the basic principle and theory of DAS design Keywords Date Acquisition Automation Circular Monitor Analog Digital converter Multilayer Switch S H Single Chip Microcomputer interface 2 1 数据采集系统及其结构数据采集系统及其结构 1 1 数据采集基本概念 数据采集基本概念 外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的 例如温度 压力 位移 速度等 要将这些信息送入计算机进行处理 就必须先将这些连续的物 理量离散化并进行量化编码 从而变成数字量 这个过程就是数据采集 它是 计算机在监测 管理和控制一个系统过程中取得原始数据的主要手段 数据采集就是将被测对象 外部世界 现场 的各种参量 物理量 化学 量 生物量 通过各种传感器做适当转换后 再经过信号调理采样 量化 编 码 传输等步骤 最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程 用于数据 采集的成套设备为数据采集系统 Data Acquisition System DAS 现代数据采集系统具有如下主要特点 1 一般都由计算机控制 使得数据采集的质量和效率大为提高 也节 省设备 2 软件在数据采集系统中的作用越来越大 这增加了系统设计的灵活 性 3 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密 形成数据采集系统与处 理系统 可实现从数据采集 处理到控制的全部工作 4 数据采集过程一般都有实时特性 实时的标准是能满足实际需要 对于通用数据采集系统 一般希望有尽可能高的速度 以满足更多的 应用环境 5 随着微电子技术的发展和电路集成度的提高 数据采集系统的体积 越来越小 可靠性越来越高 以至出现单片机数据采集系统 6 总线在数据采集系统中的广泛应用 总线技术对数据采集系统结构 的发展起重要作用 1 2 数据采集系统的基本结构 数据采集系统的基本结构 数据采集系统包括硬件和软件两部分 硬件部分又分为模拟部分和数字部分 图 1 是硬件基本组成示意图 3 图图 1 1 2 1 传感器 放大器与滤波器 传感器 放大器与滤波器 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟变量 如电压 电流或频率 例如 使用热电耦 热电阻可以获得随温度变化的电压 通常把传感器输出到 A D 转换器输出的这段信号通道称为模拟通道 放大器用来放大和缓冲输入信号 由传感器输出的信号较小 需要加以放 大 以满足大多数 A D 转换器的满量程输入 5v 10v 的要求 此外某些传感器 的内阻较大 输出功率较小 这样放大器还起到阻抗变换器的作用 可以缓冲 输入信号 由于各类传感器的输出信号情况各不相同 所以放大器的种类也很 繁杂 传感器和电路中的器件常会产生噪声 人为的发射源也可通过各种耦合噪 道使信号通道感染上噪声 这种噪声可用滤波器来衰减以提高模拟输入信号的 信噪比 1 2 21 2 2 模拟多路开关 模拟多路开关 在数据采集系统中 往往要对多个物理量进行采集 可通过多路模拟开关 来实现 多路模拟开关的主要用途是把模拟信号分时地送入 A D 转换器或者把 经计算机处理后的数据由 D A 转换器转化成模拟信号 按一定的顺序输出到不 同的回路中去 前者称为多路开关 完成多到一的转换 后者称为反多路开关 或多路分配器 完成一到多的转换 多路模拟开关可分时选通来自多路输入通 道的某一路信号 因此多路开关的单元电路如采样保持电路 A D 及其处理器 等只需一套即可 这样可节省成本和体积 但这只在物理量变化比较缓慢 变 换周期在数十至数百毫秒之间的情况时较合适 因为这样可使用普通的数十微 妙的 A D 转换器从容的分时处理这些信号 但当分时通道较多时必须注意泄露 4 及逻辑安排等问题 当信号频率较高时 使用多路分路开关 对 A D 转换器的 速率要求也随着上升 当信号频率较低时 须注意选择多路模拟开关的类型 多路模拟开关的导通电阻一般在 100 左右 在要求导通电阻小的情况下应采 用继电器 1 2 31 2 3 采样与保持 采样与保持 采样 保持和 A D 转换电路是模拟通道的转换部分 采样 保持电路的作用 是快速拾取模拟多路开关输出的采样脉冲 并保持幅值恒定以提高 A D 转换器 的转换精度 采样 保持电路有采样和保持两种运行状态 其原理图可由图 2 说明 图中 电容 C 为保持电容 运放 A1 A2 都接成跟随器 其运行状态由方式控制输入端 决定 在采样状态下 采样命令通过方式控制输入端控制 S 闭合 由于跟随器 A1 的隔离作用 输入模拟电压以很快的速度给 C 充电 输出随输入变化 在保 持状态下 控制 S 打开 此时由于跟随器 A2 的隔离作用 电容 C 两端电压 即 输出电压 将保持在命令发出时输入电压不变 直到新的采样命令到来为止 图图 2 2 采样 保持电路的质量可通过下列技术指标来反映 1 孔径时间 是指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间 孔径时 间一般在 10ns 20ns 量级 2 扑捉时间 是从开始时采样保持器输出的值达到当前输入信号的值所 需的时间 它与保持电容的电容值 放大器的频响时间以及输入信号的变化幅 度有关 A D 转换器的采样时间必须大于捕捉时间才能保证采样阶段充分地采 集到输入模拟信号 一般采样 保持电路 0 01 的捕捉时间在 300ns 15us 之间 3 保持电压的下降 指在保持状态下由于保持电容的漏电流和其他杂散 漏电流而引起的保持电压的下降 其值一般在 0 1uv s 1uv s 之间 5 4 馈通 是指在保持期间由于输入信号电压变化而引起输出电压变化的 程度 馈通只对高精度的 A D 转换器有影响 5 电压增益精度 是指当环境和电源变化时 电压增益可以保持的精度 1 2 41 2 4 A DA D 转换器转换器 A D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备 它是模拟系统 与数字系统或计算机之间的接口 是模拟输入的通道的关键电路 由于信号变 化速度不同 系统对分辨力 精度 转换速度及成本的要求也不同 A D 转换器的主要指标有 1 分辨率 即输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量 具体定义为 满量程电压 FSR 与 2 n 的比值 其中 n 为 ADC 的位数 2 量化误差 由 ADC 的有限分辨率引起的误差 3 偏移误差 指输入信号为零时 输出信号不为零的值 又称零值误差 4 满刻度误差 指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电 压之差 5 线性度 转换器实际的特性曲线与理想直线的最大偏移 6 绝对精度 输出数码所对应的实际模拟输入电压与理想的模拟输入电 压值之差 7 相对精度 绝对精度与满量程电压值之比的百分数 8 转换速率 在保证转换精度的前提下 能够重复进行数据转换的速度 即每秒转换的次数 1 31 3 据采集系统的主要性能指标 据采集系统的主要性能指标 对数据采集系统的性能要求和具体应用目的以及环境有密切联系 在不同的 情况下往往有不同的要求 以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义 1 系统分辨率 数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量 2 系统精度 当系统工作在额定采集速率下 每个离散子样的转换精度 它是系统的实际输出值与理论输出值的差 是系统各种误差的总和 3 采集速率 又称为系统通过率 吞吐率 在满足系统精度指标的前提 6 下 系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数 这里的 采集 包 括对物理量进行采样 量化 编码 传输 存储等全过程 4 动态范围 某个物理量的变化范围 数据采集系统的动态范围通常定 义为所允许输入的最大值 Vimax与最小值 Vimin之比的分贝数 即 Ii 20lgVimax Vimin 5 非线性失真 也称谐波失真 当输入是一个频率为 f 的正弦波时 其 输出中出现很多频率为 kf k 为正整数 的新频率分量的现象 2 2 动巡回检测动巡回检测 所谓自动巡回检测就是在科学实验装置或生产过程中的某个或某些参数以 一定周期自动的进行检查和测量 例如 发电机组的运转 卫星发射前各部位 的状态都需长时间不间断地进行监控 在组成巡回检测系统时 需注意被测信 号的变化频率 测量的精度以及采样周期等方面要求 比如 被测信号参数变 化较快 应在系统中加入采样保持器 相反 如被测参数变化缓慢 系统可以 不使用采样保持器 3 3 硬件设计硬件设计 3 1 设计要求 要求设计一个能对八路模拟信号 电话频率 100HZ 进行巡回检测的系统 要求电压范围 0v 10v 分辨率为 5mv 0 05 通道误差小于 0 1 采样 间隔为 1 秒 同时为了增强抗干扰能力还要求能对采样信号进行数字滤波处理 3 23 2 器件选择及简介 器件选择及简介 3 2 13 2 1 多路模拟开关 多路模拟开关 CD4051CD4051 CD4051 的导通电阻为 200 由于采样保持器的输入电阻一般在 10M 以 上 所以输入电压在 CD4051 上的压降仅为 0 002 左右 符合要求 CD4051 的 开关漏电流仅为 0 08nA 当信号源内阻为 10K 时 误差电压大约为 0 08uV 可以忽略不计 CD4051 是双向八通道多路开关 其符号及引脚配置如如 图图 3 3 多路模拟开关 CD405 由电平转换 译码 驱动和开关电路三部分组成 7 CD4051 带有三个通道选择输入端 A B C 和一禁止端 INH 当 CBA 为 000 111B 时可产生八选一控制信号 使八路通道中的某一通道的输入与输出接通 当 INH 为 0 时允许通道接通 当 INH 为 1 时禁止通道接通 其真值表如表如表 1 1 表表 1 1 CD4051CD4051 真值表真值表 图图 3 3 2 23 2 2 采样保持器 采样保持器 LF398LF398 LF398 是由场效应管构成的采样保持电路 它具有速度快 保持电压下降速 度慢以及精度高等特点 当保持电容为 1uF 时 其下降速度为 5mv min 电压 增益精度可达 0 01 LF398 原理框图如图如图 4 4 当逻辑控制端 IN 为 0 时 呈保 持状态 此时 S 打开 输入保持不变 为了提高精度常需要加保持电容 CH 但 是 CH的容量的增大会导致采样时间的增加 为解决采样速度与电压下降速度之 间的矛盾 可采用两级采样保持电路 图图 4 4 3 2 33 2 3 A DA D 转换器转换器 AD574AAD574A INH C B A 接通通道号 0 0 0 0 IN0 0 0 0 1 IN1 0 0 1 0 IN2 0 0 1 1 IN3 0 1 0 0 IN4 0 1 0 1 IN5 0 1 1 0 IN6 0 1 1 1 IN7 8 巡回检测周期允许为 1 秒 为了对采样的数据进行滤波处理必须对每路信 号进行多次采集 因此 A D 转换器采用转换速度快的 AD574A AD574A 的分辨 率为 0 025 转换误差 0 05 转换时间 25uS 输入电压范围 0v 10V 或 0v 20V 符合要求 AD574A 由模拟芯片和数字芯片混合集成 AD574A 的结构特点 1 AD574A 内部集成有转换时钟 参考电压源和三态输出锁存器 故它使 用方便 也可与微机直接接口 而且无需外接 CLOCK 时钟 2 AD574A 的转换时间可达 25us 3 AD574A 的输入模拟电压既可单极性也可双极性 单极性输入为 0v 10v 或 0v 12v 双极性输入为 5v 或 10v 之间 4 AD574A 的数字量位数可以设定为 8 位或 12 位 AD574A 的引脚功能 AD574A 为 28 引脚双列直插式封装 引脚分配如图引脚分配如图 5 5 表表 2 2 AD574AAD574A 操作功能操作功能 图图 5 各引脚功能为 1 模拟量输入线 3 条 10VIN为 10v 量程模拟电压输入线 单极性时 为 0v 10v 双极性时为 5v 20VIN为 20v 量程模拟电压输入线 单极性时 为 0v 20v 双极性时为 10v AC 为模拟电压公共地线 CE R 12 A0 完成操作csc8 1 0 0 0 启动 12 位 A D 转换 1 0 0 1 启动 8 位 A D 转换 1 0 1 12 位数字量输出 1 0 1 0 0 高 8 位数字量输出 1 0 1 0 1 低 8 位数字量输出 0 无操作 9 2 数字量输入线 13 条 DB11 DB0为数字量输出线 DB11为最高 位 DC 为数字量公共接地线 常和 AC 相连后接地 3 控制线 6 条 和 CE 为片选线 低电平有效 CE 为片选使能线 高电平有效 1 cscs 和 CE 共同用于片选控制 当为 0 和 CE 为 1 时选中片工作 否则 本片处cscs 于禁止状态 R 为读出转换控制输入线 若使 R 为 0 则本片启动工作 若cc 使 R 为 1 则本片处于允许读出数字量状态 c A0和 12 这两条控制线能决定 12 位还是 8 位 A D 转换控制 功能表 2 8 如表如表 2 2 所列 所列 STS 为转换状态输出线 STS 为高电平时表示 AD574A 正处于 A D 转换状态 若 STS 为低电平 则 A D 转换已完成 4 测试 调零线 3 条 REF IN 线和 REF OUT 线 REF IN 为内部解码网络所需参考电压输入线 1 REF OUT 为内部参考电压输出线 BIP OFF 为补偿调整线 用于模拟输入为零时把 ADC 输出数字量调整为 2 零 5 电源线 3 条 VL为 5v 电源线 VCC为 12v 15v 电源线 VEE为 12v 15v 电源线 3 2 43 2 4 AD574AAD574A 与与 80518051 接口 图接口 图 7 7 图图 7 7 3 33 3 电路原理图 图 电路原理图 图 8 8 10 图图 8 8 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 工作程序 工作程序 主程序清单主程序清单 该系统检测周期的定时采用了软硬结合的方法 设主频为 6MHZ 所以定时 器每次加 1 计数的时间间隔为 2us 选用定时器工作方式 1 定时时间为 100ms 则 T0定时器初值为 3CB0H 为了实现 1S 的检测周期 可用内部 RAM 区 7FH 作为定时器溢出次数计数器 并设初值为 10 编程使 T0每溢出一次 中断 TFH 的内容就减 1 这样当减到 10 时置位标志位 以通知进行定时采样 下面 是实现上述过程的程序清单 主程序 INH1 CLR TRO 暂停 T0工作 MOV TMOD 01H 设为 16 位定时 MOV TH0 3CH 送初值高 8 位 MOV TL0 0B0H 送初值低 8 位 CLR 00H 清 1 秒标志位 bit00H MOV 7FH 0AH 溢出次数计数器初值 SETB TR0 启动 T0工作 11 WAIT JNB 00H WAIT 等待 1S 标志位为 1 CLR 00H 清 1S 标志位 LCALL SAP 调采样子程序 LJMP WAIT 循环 T0定时中断程序 INT ORL TL0 0B0H 重置定时器初值 MOV TH0 03CH DJNE 7FH INTE 溢出次数计数器减 1 MOV 7FH 0AH 计数器重置初值 SETB 0 1 秒标置 1 INTE RETI 中断返回 4 24 2 自动巡回检测采样子程序框图 自动巡回检测采样子程序框图 在该系统中 被测参数经多路开关 CD4051 选通后送到 LF398 输入端 LF398 的工作状态由 A D 转换器结束标志 STS 状态控制 当 A D 转换正在进行 时 STS 为高电平 经反向后使 S H 呈保持状态 以保证 A D 转换器的输入信 号稳定 当 A D 转换结束后 STS 变为高电平 经反向后使 S H 呈采样状态 这种控制方法不必由微机传送 S H 控制信号 所以使系统速度加快 数据采集 的顺序是先把 8 个通道各采样一次 然后再循环 10 次 这样就相当于在一次中 断处理中对每一通道采样 10 次 最后再对每通道采集的 10 个数据进行平均处 理 如图如图 9 9 a a 和 和 b b 所示 所示 12 图图 9 9 a a b b 5 5 结束语结束语 目前已有不少厂家专门生产与各种微机系统想配用的 DAS 插件板 微型计 算机与