基于LabVIEW的数据采集系统设计

-基于labview的数据采集系统设计【摘要】：本文研究了一个用于实现高精度高速度的数据采集系统。整个系统采用AT89C52单片机作为整体架构；以美国Maxim公司生产的MAX197芯片为核心；使用CH372USB控制芯片为传输中心。针对采集系统的实际需求，以LabVIEW为工具，设计完成用户界面。界面设计以循环事件结构为整体框架；采用.EXE技术完成用户界面的设计与采集程序的连接；以波形图表为显示工具，并针对采集系统存储数据的特点，编程实现了16位无符号双字节整型到双精度浮点的转换，即波形图表显示的数据为实际的物理数值。整个数据采集系统进行了联试联调。使用该采集系统可以采集到8路12位数据及1路8位D/A输出，再由用户界面调用和显示；并通过计算机的测试分析。结果验证了整个数据采集系统的可行性和实用性。【关键字】：数据采集；LabVIEW；用户界面；数据显示-i-Abstract：Thispaperstudiesadataacquisitionsystemusedtorealizehighspeedhighaccuracy.ThesystemusesAT89C52microcontrollerastheoverallframeworkbasedonMAX197chipAmerican;producedbyMaximcompanyasthecore;useCH372USBcontrolchiptransmissioncenter.Accordingtotheactualrequirementoftheacquisitionsystem,usingLabVIEWasatool,completedthedesignoftheuserinterface.Interfacedesigntocyclingeventstructureasframe;connectionusesthetechnologyof.EXEuserinterfaceandacquisitionprogram;towaveformchartsfordisplaytools,andaccordingtothecharacteristicsofdataacquisitionsystemdatastorage,programming16bitunsignedintegertotheconversionofdoublebytedoubleprecisionfloatingpoint,namelythewaveformchartsdisplaydataasphysicaltheactualnumerical;inaddition,display,thecurrentlocationofthemouseamplitudeuserinterfacealsohasthesamplenumberdisplayandotherauxiliaryfunctionsThedataacquisitionsystemwascommissioningdebugging.Usingthisacquisitionsystemcancollectupto8Road1road12bitdataand8bitD/Aoutput,thentheuserinterfaceanddisplay;andthroughcomputertestandanalysis.Theresultsverifythefeasibilityandpracticabilityofthedataacquisitionsystem.Keyword：Dataacquisition;LabVIEW;Userinterface;Datadisplay-ii-目录第1章绪论.2第1.1节论文研究背景.2第1.2节本文的主要工作和论文结构.3第2章数据采集系统的硬件组成.5第2.1节数据采集过程.5第2.2节数据采集系统的组成.6第2.3节数据采集系统的设计与实现.14第3章数据采集系统的软件设计.31第3.1节labview简介.31第3.2节界面设计.32第3.2节USB与LABVIEW之间的传输协议.39第4章数据采集系统的联试联调.41结论.46参考文献.47致谢.48附录.49附录1：电路图.49附录2：源程序.50第0页第1章绪论1.1论文研究背景1.1.1数据采集技术数据采集技术主要研究各类数据的采集、存储、处理等工作，与传感技术，信号处理技术，计算机技术一起构成了现代测试技术的基础。随着科学技术的发展，数据采集技术已经广泛应用于军事、科研、生产等各个领域。目前，随着电子技术以及半导体工艺技术的发展，高速数据采集技术也得到了极大的发展。采集系统的ADC采样精度可高达几百MSPS甚至GSPS。采样精度的提高意味着在极短的时间内，采集系统就可以采集到大量的数据。只有系统具备与之匹配的数据传输能力和存储能力，实验数据才可以完整的保存下来，整个数据采集系统才有实际的应用价值。计算机技术的飞速发展带动了数据传输技术的存储技术的发展。计算机总线技术从数据传输率只有8.33MB/s的ISA总线发展到133MB/s的PCI总线，再到传输速率更高的PCI-E总线，数据传输速率已经超过1G/s。FPGA和DSP技术的发展使得数据采集系统的缓存能力和数据处理能力有了很大的提高。1.1.2虚拟仪器技术虚拟仪器技术是一种基于计算机技术的现代测试控制技术。计算机技术的不断发展，应用领域不断延展，使得人们生活的各个领域都与计算机技术交融在一起，并随着计算机技术的发展而发展。虚拟仪器技术的特有的优点在自动化测控技术、数据采集技术和信号处理技术中得到了极大的展现。同时，虚拟仪器技术也得到了巨大的发展，并引导和推动着相关技术的发展。虚拟仪器（VI-VirtualInstruments）是基于计算机技术的软件仪器，是相对于传统仪器是实物而言的。传统仪器功能的实现是以硬件为基础存在的。不同功能的传统仪器的生产需要不同的原材料进行零件的生产、组装和调试等一系列工业生产的流程。在使用时，传统仪器有着诸多限制，如量程范围、正负极的正确接线等等，稍有不慎则会损坏仪器，造成损失；同时，在大型的测控工程中，传统仪器往往难以完成一些复杂的测试工作。此外，传统仪器实现的功能越多，其操作面板也就越复杂，上面放置着各种按钮、旋钮等操作器件，容易导致操作失误。虚拟仪器提出“软件即仪器”的概念，即以软件的方式实现传统仪器的功能，虚拟仪器通过编程开发后，最终呈现在用户面前的用户界面可以很好的移植传统仪器的第1页控制面板，与用户日常接触的仪器保持良好的一致性。如设计完成一个示波器时，该虚拟仪器的面板就可以与传统的示波器面板基本保持相同，各个功能的控制开关或者旋钮也能保持一致，用户在使用时就不会有任何的陌生感而是直接的使用。虚拟仪器发展至今，各类常见的输入输出控件已经设计完成，如用于显示的波形图、波形图表等，用户需要时，直接调用即可。在设计新型仪器时，用户又可以根据自己的需要选择设计仪器面板的样式，不像传统仪器受元器件和工艺水平的限制。在设计功能复杂的仪器时，虚拟仪器可将各类功能整理归类，在不同的面板上显示，不受空间限制。在现代工业和测控领域中，往往会遇到很多复杂的测试问题，需要搭配不同的测试工具才能完成任务，有时甚至需要开发新的测试工具或者改进原有的工具才能满足要求。相对传统仪器开发周期长，生产成本昂贵和仪器维护成本高的特点，虚拟仪器有着无可比拟的优势。虚拟仪器的核心是软件，对虚拟仪器的重新开发和改进相当于对软件程序的修改。不仅可以极大的缩短开发周期，还可以节约大量的开发成本。虚拟仪器的使用可以有效地降低系统的开发费用和维护成本，并加速技术的发展。虚拟仪器技术与计算机技术息息相关，计算机强大的数据处理能力使得虚拟仪器在信号处理上具有无可替代的优势。在数据采集领域，以虚拟仪器为桥梁，将计算机和数据采集硬件连接在一起。使用计算机对采集到的数据进行分析、显示和处理，并通过计算机优越的数据传输能力和存储能力将原始数据和处理结果完整的存储下来。虚拟仪器的使用有利于实现系统的测试速度和测试精度。在一些专业的测试领域，虚拟仪器将得倒更广泛的应用。LabVIEW是美国国家仪器公司（NationalInstruments,简称NI）推出的一种革命性的编程系统，也是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。相比较于传统的文本编程，它采用图形化编程方式。LabVIEW即以图标代替文本，用连线决定程序运行顺序。LabVIEW拥有着丰富的函数库，包括数据运算、程序结构、文件I/O和信号处理等等；还提供各种适用于测控领域的工具包，涵盖了几乎所有可能用到的功能。使用LabVIEW可以很方便的设计出所需要的虚拟仪器，结合相应的硬件设备，就可以快速的搭建一个完整的测控系统。1.2本文的主要工作和论文结构本文研究一种高速度高精度的数据采集系统。以美国Maxim公司生产的MAX197芯片为核心；使用CH372USB控制芯片和AT89C52单片机。设计出具有8路12位数据采集及1路8位D/A输出的电路系统并进行测试分析。第2页针对采集系统的实际需求，以LabVIEW为工具，设计完成了用户界面。界面设计以循环事件结构为整体框架，主要完成数据采集程序的启动和数据的显示及相关的功能实现。最后，将整个高速度高精度数据采集系统运用与所设计的的电路，以检测系统的实际应用价值。本论文分为四章，主要内容为：第1章，介绍课题背景；第2章，介绍数据采集相关理论，给出系统的框图并详细说明系统的组成方案；第3章，详细介绍了LabVIEW程序设计，结合程序框图说明了设计原理和主要实现的功能；第4章，为对采集系统进行联试联调；使用所设计出的上位机对所设计的下位机进行检测。第3页第2章数据采集系统的硬件组成当今社会，以计算机为记录控制核心的控制测试系统在各个领域中发挥着越来越重要的作用。数据采集技术的出现实现了计算机与外部设备的连接。第2.1节数据采集过程数据采集过程应该是对模拟信号进行采样，经过量化、编码后得到相应的离散的数字信号。过程如图1-1所示：模拟信号脉冲序列采样543210量化编码图2-1数据采集的过程在实践中，根据信号的特征和测试目的，模拟信号可以分为两类。1.在时间范围内变化较为缓慢的信号，如湖面的水位、室内的温度等。对于这一类变换过程比较缓慢的信号，其采样率不需要设置过高。0011010100100100第4页2.在时间范围内变化较快的信号。对于这类信号，如果需要知道它的波形，应该把它作为一个时域信号来处理，选择相对较高的采样频率。比如，在检测一个脉冲信号的时候，就要求采样周期必须小于脉冲周期。在研究脉冲信号的上升时间的时候，就应该选择更高的采样频率。如果需要知道它的频率成分，可以把它当做一个频域信号。这样，根据奈奎斯特采样定理，只要采样频率大于信号中最高频率的2倍，那么采样之后的信号就可以比较完整地保留了被采样的信号中的信息。也就是说相对于最高频率的信号成分，必须对每个周期采样至少两个数据点，在理论上才可以重新恢复成原始信号。在具体应用中，如果每个周期只对最高频率的成分采样两个数据点，那么样本量是不足以准确的描述信号的波形的。在实际的工程中，一般选择使用最高频率成分的410倍进行采样。第2.2节数据采集系统的组成典型的数据采集系统硬件结构为：传感器+信号调理器+数据采集设备+计算机。在上述结构中，传感器的作用在于将被测量的非电物理量如位移、速度、水位、温度等转换为模拟信号，或者将各类电参数按需要进行相应的变换，如电流转换成电压，以满足采集设备的需求。信号调理电路的作用在于对传感器输出的或可以直接采集的电信号进行处理，如放大/衰减、匹配、滤波等。数据采集设备的作用是将模拟信号转换成计算机可以识别的数字信号。图2-2为典型的数据采集系统的硬件结构组成。传感器信号调理数据采集计算机显示图2-2典型的数据采集系统硬件结构2.2.1计算机（PC）计算机在数据采集系统中有着极其重要的作用，其配置很大程度上影响着数据连续采集的速度。随着现代电子技术的不断发展，对数据采集系统的采样精度和采样频率的要求也越来越高。传统的ISA总线、PIC总线一逐渐不能满足高速采集系统对数据传输率的需求。PCIExpress总线标准的出现使数据传输率得到了极大地提高。目前绝大数计算机以PCI/PCI-E总线和USB接口为标准设备。在组建数据采集系统时，需要知道设备和总线所支持的数据传输方式为满足本课题高精度高速度的数据传输要求，系统可以使用服务器主板配合多核CPU作为系统的控制器。以华硕DSBF-DE/SAS服务器主板为例。该主板支持双核intel第5页至强处理器5000/5100系列、四核intel至强处理器5300系列，可按需选择。在存储方面，该主板提供了8条240-pinFB-DIMM插槽，可支持双通道DDR2533/667内存模组；最高可以扩充至32GB，此外，四通道模式使该主板理论上的内存带宽最高可达到21GB/s；该主板通过SATA控制器提供了6组SATAII接口，并以InterMatrixStorage技术实现RAID0、1、5、10。在扩展槽方面，该主板配置1个PEI-Ex8插槽；可以支持磁盘阵列卡；内置的2条PCI-X133/100MHz插槽中，可支持零通道RAID卡。图2-3为华硕DSBF-DE/SAS服务器主板实物图。图2-3华硕DSBF-DE/SAS服务器主板高速数据采集系统的另一个限制性的因素是系统的存储能力，通过服务器主板提供的扩展插槽可以很方便的组建超大容量的磁盘阵列，多核处理器卓越的数据处理和数据传输能力为数据实时的、完整的传输和存储提供可靠地保证。2.2.2传感器传感器的作用在于将物理量、化学和生物现象转换为数据采集系统可以识别的电信号。传感器种类繁多，针对的对象不同，其加工原理、加工原料和制造工艺都不一样。物理传感器可识别电、光、力、热等现象；化学传感器可感知化学物质的变化；生物传感器检测生物成分的变化，如激素、抗体和酶等。传感器可以输出其检测到的变化对应的电信号。该信号的强度不一定在数据采集设备的输入范围内，必须经过信号调理设备处理。某些传感器的组成包含了转换电路或者辅助电路。传感器直接关系到能否准确的获取相关信息，其选择主要依据三个指标，即灵敏第6页度、线性度和分辨率。灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量的比值。它是输出输入特性曲线的斜率。当输出和输入为线性关系是，则传感器的灵敏度为常数；当输出和输入为非线性关系时，则传感器的灵敏度将随着输入的变化而变化。灵敏度直接关系到传感器的测量精度，即灵敏度越高，则测量精度越高。线性度：一般来说，传感器的实际静态特性输出不是直线而是一条曲线。在应用中，实际的特性曲线常用最小二乘法拟合直线来近似的代替，以得到均匀的读数。线性度就是用来衡量这个近似程度的。分辨率：分辨率是指传感器工作时可以识别的最小变化量。即被测量的变化幅度低于传感器的分辨率时，该传感器是没有输出的。只有被测量的变化幅度大于传感器的分辨率时，传感器才有输出。传感器的分辨率越高，其可识别的变化量越小，相应测量结果就会更准确。一般来说，选择传感器总是希望其灵敏度和分辨率都是越高越好，而灵敏度和分辨率越高，传感器的稳定性就会越差，应该综合考虑。2.2.3信号调理电路信号调理电路连接着传感器和数据采集设备，其主要作用是对传感器的输出进行处理。通常情况下，传感器输出的信号幅值大小各异，必须进处理，使其匹配数据采集设备的输入范围。信号调理电路可以有效地提高系统的性能和精度。信号调理是指通过内部电路将需要采集的信号进行放大，滤波等处理，使之能够被数据采集所识别。有时也需要信号调理电路对信号类别进行转换，如电压转换成电流等，以满足不同的采集设备的需要。数据采集卡基本自带可编程增益，在这样的的情况下，由于被测信号来源复杂，特点各异，信号调理电路任有其存在的价值。如生物电信号极其微弱，而工业电信号则有高压、高流的特点。信号调理电路一般采用以下技术，以提高系统的采样精度。1.放大此技术针对幅值较小的信号，如温度传感器热电偶的输出。经过放大，各类微弱的电信号可以转换为标准信号，以满足采集设备ADC输入的需求，提高系统的精度。针对不同的信号，应该合理选择放大器。2.衰减此技术与放大对应，适用于高电压、高电流的场合。可将信号幅值限制在采集的第7页ADC输入范围以内，以供采集设备采集。此外，此技术还可以适用于预防电路因过压过流而被烧毁的危险，起到保护仪器和设备的作用3.隔离该技术最大的优点在于保障操作人员的人生安全，同时还避免了测试设备被烧毁的可能，其基本原理是利用光电耦合技术和变压器将被测信号直接从发生源传输至测量设备，隔离了高压，远离了危险。4.过滤数据采集设备在实际工作时，总是会受到各种各样的的噪声干扰。如环境干扰，机械设备干扰。此技术可去除一定范围内的噪声，既排除了一定程度上的干扰，又简化了后续的信号处理。5.激励该技术的使用通常针对一些需要外部信号激励的转换器，如应变器、RTD等。应变器，其惠斯登电桥配置通常使用电压激励源来完成。而电源激励源则可以协助完成RID的测量。6冷端补偿一般来说，热电偶工作时，需要精确计算测量真实温度，必须要知道热电偶和数据采集系统连接点的温度，因为这个点相当于测量中额外多接的一个热电偶，冷端补偿用于计算连接点的引起的的偏移。2.2.4数据采集设备数据采集设备是数据采集系统的物质基础，现代到数据采集设备的出现源于传统仪表技术和计算机技术发展。机械制造技术的发展提高了仪器的精度和使用寿命，电子工艺技术的发展使得仪器的性能产生了巨大的飞跃；电子显示技术的发展促使了示波器等现代分析仪器的出现；而计算机的技术的发展使得数据采集技术借助计算机强大的数据处理能力进入了一个高速发展的时期；虚拟仪器的出现则代表着数据采集技术的又一次革新；在计算机技术和虚拟仪器的促进下，数据采集设备不断发展、更新，以满足人们在各个领域的需求，展示了强大的生命力和辉煌的发展前景。1、数据采集设备的分类（1）插卡式数据采集设备插卡式数据采集设备就是使用最为广泛的数据采集卡。通过插入计算机的PCI槽成PCIMCIA槽就可以使用。信号经传感器和调理设备就可以被数据采集卡采集，可以满足基本的采集要求。第8页（2）分布式数据采集设备分布式数据采集设备的特点是该设备一般安装在被测试对象的附近，如工业现场。然后使用串口通信或计算机网络与计算机进行通信，其应用前景很广泛。(3）VXI与PXI设备VXI和PXI设备最初属于专用设备，其设计之初，该设备就被定位为用于某些军用设备的测试场所，以及一些对测试环境和条件要求非常高的测试场合。VXI是VME总线的仪器扩展，它适用于军方对武器系统进行检测和测试，其结构形式是：先将信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，而机箱通过插入计算机的卡与计算机通讯，或者将计算机嵌入机箱零插槽(俗称零槽控制器)。上述三种设备均可以完成各种通用的测试任务，如采集信号，对信号进行A/D转换等，信号采集完成后，后续的信号处理则是按照需要进行，主要依靠计算机软件进行分析处理，得到所需的信息，即不同的测试要求和不同的测试对象可以使用相同的数据采集设备来完成，区别只是处理的软件不同。(4)GPIB或串口设备GPIB和串口设备都是计算机与传统仪器的接口，GPIB或串口设备的优点在于可以有效地利用传统仪器的一些特有优势。这一类型的设备具有功能单一的特点，其应用软件固化在仪器内部，工作时，与设备相连的计算机只用于存储、显示和打印，或控制测试过程，即该类设备并不依赖于计算机。2、数据采集卡数据采集卡的设计和生产参照了计算机的主流总线标准，并直接插入计算机主板提供的扩展槽中进行使用，方便了使用计算机对数据采集进行控制。使用数据采集卡可以快速的搭建一个完整的数据采集系统。20世纪90年代，IBM-PC及其兼容机有着极其丰富的的软件资源，参照IBM-PC的总线标准，厂商设计并生产了各种的数据采集卡，以使用IBM-PC机及其兼容机对数据采集进行控制。这就是数据采集卡的由来。随着计算机技术的的发展及总线技术的发展，IBM-PC机已经被淘汰，数据采集卡以其用途广泛，使用方便等特点得以保留，并显示出强劲的发展势头。数据采集卡种类繁多，根据处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡、模拟量输出板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。根据总线的不同，可分为PXI板、PCI板、PCI-E板卡和USB板卡。根据通道数的不同，可分为单、双、4、8、16、32和80通道。第9页表2-1为部分数据采集卡的种类和用途。表2-1数据采集卡的种类和用途2.2.5数据采集设备的主要指标1.采样率数据采集系统的采样率是指系统ADC在单位时间内对被测信号进行采样的次数。采样率越高，则规定时间采集的样本数越多，就可以更准确的反映被测信号的特点。根据奈奎斯特采样定律，采样率设置为被测信号最高频率的410倍为最佳。过高的采样率将增加系统的负担，如占用大量的存储空间。对信号频谱的分析结果的影响却不是很大，这就造成了资源的浪费，降低系统效率，增加系统成本。采样率过低将导致采样结果不能无失真的描述被测信号。对于多通道数据采集设备，一般采用多路复用方式对信号进行采集，即所有通道共用一个ADC采样。如双通道数据采集卡在工作时，ADC首先对通道0进行采样，采样一个数据后立即转到通道1进行采样，然后又对通道0进行采样，如此循环。在这种情况下，数据采集卡的采样率为各个通道的采样率之和。假设双通道数据采集卡的最高采样率为50MS/s，则每个通道的实际采样率只用25MS/s。即各通道均分采集卡的采样率。与多路复用方式对应的是同步采用方式，如阿尔泰PCI-E8532，支持4路同步采集。4个通道均使用独立的ADC采样，各通道量程可单独设置，其单通道的采样率达到20MS/s。同步采样系列数据采集卡功能强大，使用灵活，但其价格也相对一般数据采集卡昂贵的多。信息来源板卡类型移位、温度等运行状态的模拟电信号模拟量输入板卡限位开关状态、接点通断状态数字量输入板卡执行机构的测控执行、记录等模拟量输出板卡执行机构的驱动执行、报警显示数字量输出板卡转速、长度测量等脉冲输入信号脉冲量计数/处理板卡操作中断、事故中断等多通道中断控制板卡远距离输入输出信号远程I/O板卡串行并行通信板卡多口RS-232通信板卡第10页2.分辨率分辨率是数据采集设备的精度指标，一般使用A/D转换器的数字位数表示。数字的位数越多，其分辨率也就越高。信号范围被分割成的区间数目就越多，因此，能探测到的信号变化量也就越小。图2-4显示了一个3位A/D转换器检测一个振幅为5V的正弦信号所获得的相应数字图像，将被测信号范围分为23=8段，用二进制编码000至111表示。采样时，把采样结果用划分好的二进制码表示出来。它得到的正弦波的数字图像时非常粗糙的。造成结果不理想的原因在于模拟信号转换成数字信号时，有一部分信息会丢失。随着分辨率的增加，这种情况得到显著地改善，如当分辨率为16位时,ADC的编码数目提升到了216=65536段。这时，采样结果就可以很精确的反映被测信号。-10.00-8.75-7.50-6.25-3.75-2.50-1.25-0-5.00-050100150200时间u图2-43位A/D转换器检测振幅为5V的正弦信号所获得的相应数字图像目前工程上应用的数据采集卡分辨率最低为8位，可以满足一般应用的要求。在对精度和带宽要求比较高的科研或者军事领域，则可以选择分辨率为12位或者16位的数据采集卡。再实际应用中，数据采集卡的分辨率越高，成本也就越高，在不增加新投资的情况下，为了达到提高ADC分辨率的目的，我们可以采用如下两种特定的方法来充分利用ADC的数字位数。1）合理设置模拟输入范围采集设备的模拟输入范围是ADC可以转换的模拟信号的幅值范围。合理设置输入范围可以充分利用设备的分辨率，获得更高的采样精度。第11页例如使用3位ADC对一个0到10V的正弦信号进行采样时。当采集设备的输入范围为0到10V时，就相当于将10V划分为8段；当采集设备的输入范围为-10V10V时，则是将20V划分为8段。同样的分辨率，两种不同范围设置，最小可检测电压差了1V。图2-5很直观的表示出这种差别。-10501000150200-10.00-5.00-2.5002.505.007.5010.00-7,500501001502008.756.255.000图2-5设备范围对表示信号的准确程度的影响2）合理进行信号极限设置在实际应用中，有的数据采集设备的模拟量输入范围是固定的，不能被更改；有的数据采集设备需要根据同时对多个幅值差别比较大的信号进行采集。在这样的情况下，就不能使用设置设备的输入范围的方法。可供选择的还有信号极限设置。设置信号极限实际是单独确定每一个通道被检测信号的最大值和最小值。当信号范围小于设备量程范围，就在通道设置时将此通道的量程范围设置信号范围，当程序按通道名称访问该通道时，这个量程范围就成了这个通道的极限。准确的极限设置可以让模数转换器使用更多的分段去表示信号。3.其他指标数据采集卡的其他指标如下：1）通道数通道数是指数据采集板卡能够同时输入的信号路数。常使用有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路。2）模拟输出1.252.502.757.50第12页模拟输出是指输出模拟信号的能力，即当需要产生模拟信号时，数据采集设备应具备模拟输出功能。3）同步采样同步采样用于描述可以同时对多路信号进行采样的功能。例如，要分析多个被测信号的相位关系时，就要求数据采集卡有多通道同步采样的功能。4）数字I/O数字I/O指的是直接输出数字获准数字信号的能力。通常用来控制过程、产生测试信号、与外设进行通信等。第2.3节数据采集系统的设计与实现2.3.1系统组成本设计所用的数据采集系统主要用于实现8路12位数据采集及1路8位D/A输出的电路系统。出于便携实用以及成本的考虑，结合本课题的实验需要，该系统基于AT89C52单片机和Windows操作系统，主要有MAX197数据采集器，CH372USB控制芯片以及AT89C52单片机组成3大部分组成。系统采用Windows7操作系统，整个系统的结构如图2-6所示：输入数据CH372USB控制芯片AT89C52单片机MAX197数据采集器上位机显示键盘图2-6数据采集系统框图具体的全系统的组成如图2-7所示。第13页图2-7硬件系统2.3.2MAX197数据采集器本系统是以Maxim公司生产的12位快速A/D转换器MAX197芯片为采集核心搭建而成。MAX197数据采集器功能结构图如图2-8所示。信号调理模块或过压保护多路转换器CH7CH6CH5CH4CH3CH2CH1CH0时钟CLK控制逻辑或锁存器CSWRRDSHDNINTAV=1.638REFT/H电荷再分配12位DAC逐次比较器多路转换器三态双向I/O接口D0D7八位数据总线+2.5v参考电压REFADJ+比较器GNDHBENVAGNDDGND第14页图2-8MAX197数据采集器结构图该数据采集器的主要指标如下：（1）具有12位分辨率和1/2LSB的线性度；（2）单一+5V供电；（3）可选择的输入电压范围为-1010V、-55V、010V、05V；（4）输入通道耐压值16.5V；（5）8路模拟量输入通道；（6）6usA/D转换时间，100ksps采样率；（7）内外采样模式可选；（8）内外时钟可选。1、MAX197数据采集器结构MAX197数据采集器引脚排列图如图2-9所示12345678910111213142827262524232221201918171615CLKCSWRRDHBENSHDND7D6D5D4D3/D11D2/D10D1/D9D0/D8DGNDVDDREFREFADJINTCH7CH6CH5CH4CHCH3CH2CH1CH0AGND图2-9MAX197数据采集器引脚各个引脚的功能如表2-2所示：表2-2MAX197引脚功能管脚名称功能1CLK时钟输入端。在外部时钟模式，用一个TTL/CMOS兼容的时钟驱动CLK。在内部时钟模式，从该管脚到接地一个100pF的电容，置内部时第15页钟频率f=1.56MHz。2CS片选断，低电平有效3WR当CS是低电平，在内部采样模式，WR的上升沿开始一个转换周期；在外部采样模式，在WR第一个上升沿开始采样，在WR的第二个上升沿开始一个转换周期。4RD当CS是低电平，在RD的下降沿，数据允许被读取。5HBEN用于控制输出12位转换结果，当HBEN=1时，高4位输出有效；当HBEN=0时，低8位有效。6SHDN低电平置完全节点方式。714D0D11三态数据I/O口。15AGND模拟地。1623CHOCH7模拟输入通道。24INT当A/D转换结束，输出数据已准备好，INT负跳变申请中断。25REFADJ通过0.01uF电容接到AGDN，当REF管脚接外部参考电压时，REFADJ接VDD。26REF参考电压输入端，内部参考电压位4.096V。外第16页部参考电压通过REFADJ管脚可调。采用外部参考电压时，将REFADJ管脚接到VDD。27VDD+5V电源，通过0.1uF电容接地。28DGND数字地。2、MAX197数据采集器工作原理MAX197是美国Maxim公司向市场推出的12位快速A/D转换器，它采用28脚双列直插式标准封装，无需外接原件就可以独立完成AD转换功能，可将一个模拟信号转换为12位数字量输出。MAX197可分为内部采样模式和外部采样模式。采样模式由控制器的D5位决定。在内部采样控制模式（控制位置0），由写脉冲启动采样间隔，经过6个时钟周期的采样间隔，开始A/D转换。在外部采样模式（D5=1），由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。第一个写脉冲写入ACQMOD为1，开始采样间隔。第二个写脉冲，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。MAX197的逻辑控制输入信号有HBEN、CS、RD、WR。CS、RD、WR控制读写操作。CS是片选端，是控制芯片的启动输入端。当CS为低电平时选中MAX197的D0D7口作为数据线。当CS为高电平时，不能进行读写操作，接口变为高阻状态，此时可将控制字节送入D0D7口。控制字格式如2-3所示：表2-3D0D7控制字格式D7D6D5D4D3D2D1D0PD1PD0AQMODRNGBIPA2A1A0PD1、PD0用于选择时钟模式和节电模式。00表示外部时钟，即有用户在CLK引脚输入100k2.0MHz，占空比位4555%的方波信号。01表示内部时钟。10表示闲置（STBPD）节电模式，每次A/D转换完毕后自动进入节电模式，直到下次启动A/D转换后，不带任何延时的响应转换命令。11表示完全（FULLPD）节电模式，当通过率高于1ksps时，应在下次转换前执行一次闲置节电模式，以便于使参考电压充电至精确要求的数值。当通过率低于1ksps时，就不必执行以上操作直接写控制字。完成时钟模式的编程选择后，改变其值以使编程节电模式不会影响前面的时钟模式。ACMOD用于选择内外部采样模式。ACMOD为0，内部采样；ACMOD为1，外部采样模式。第17页RNG、BIP决定量程。00表示05V，01表示010V，10表示-55V，11表示-1010V。A0、A1、A2决定输入通道号。WR和CS控制A/D转换的启动，采用内部采样模式和外部采样模式时，转换过程稍有不同。当A/D转换结束，12位数据已经准备好，则INT跳转低电平，向单片机申请中断。单片机响应中断，从MAX197的I/O口读取A/D转换结果。读取数据时，CS和RD同时为低电平。当HBEN为低电平时，读低8位数据，当HBEN是高电平时，读高4位。3、MAX197数据采集器在采集系统中的应用数据采集系统做成扩展卡的形式，以基于ISA总线为例，因为ISA总线时目前微机中依然普遍采用的的标准总线之一。系统的原理框图如图2-10所示DS80C32MAX197AD36555AD7501LF398模拟量开关量8255双口RAMGAL20V8PC/XT总线74HC57474HC574图2-10系统原理框图（1）数据的同步采集一个基本的数据采集接口包括多路模拟开关、测量放大器、采用保持电路和A/D转换器。基于MAX197芯片的数据采集系统有以下两种采样模式：（）外部采样模式第18页MAX197有8路模拟量输入通道，每个通道设一个采样保持器398，以保证各参数在同一时刻采样。8个模拟量参数经过多路开关7501，分别接通送入测量放大器365，即完成从多到一的转换。365程控增益分1、10、100、500四种。本课题选用程控增益100。从测量放大器输出的信号送入197的通道1或选用其他通道。（）内部采样如果被测电压符合A/D转换芯片的输入电压范围，并且被测电压信号不需要放大，则可直接输入，以提高整个信号处理的通过率。当采用内部采样模式、外接2MHz时钟频率时，可获得100ksps的通过率。A/D转换完毕先存入双口RAMIDT7143。当整个采样期间结束，再由PC运行程序读取整个数据块，完成数据处理部分。（2）采用GAL与双口RAM的高速数据采集基于ISA总显的智能接口与PC的通信方式通常有串行通信、并行通信和通过双口共享RAM区进行通信3种。串行通信是逐位通信方式；并行通信时逐个字节的通信方式；共享RAM区进行通信则能同时传递一个数据块。如图2-10所示，本系统使用GAL20V8有PC的I/O口的十条地址线和PC-WR信号线共十一个输入端，经简单的逻辑组合后，产生三个输入信号分别连接到两片74HC574的时钟脉冲端和双口RAM右侧的片选端。双口的RAM的两端均可以对其进行读写操作，他的内部具有判决电路以防止因对某一地址单元同时操作而产生的冲突。因此，单片机通过双口RAM的左端口进行存取数据，而PC通过右端口来存取数据。双口RAM的地址线一般多于8根，因此用两片8位三态D触发器74HC574产生。当PC要访问某一个地址单元时，首先向I/O口地址1写入双口RAM地址单元的高8位地址值，此时GAL20V8的输出信号选中第一片74HC574，将PC-DB上的数据锁存到双口RAM的高8位地址线上；然后向I/O两种口地址2写入双口RAM地址单元的低8位地址值，此时GAL20V8的输出信号选中第二片74HS574，将PC-DB上的数据锁存到双口RAM的低8位地址线上；最后向I/O地址0读入数据，GAL20V8的输出信号选中双口RAM的片选端，将该地址的内容送到PC-DB上。这样就完成一次数据传输的全过程。2.3.3CH372USB控制芯片CH372是一个USB总线的通用的设备接口芯片。它具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便的挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本端的单片机第19页通讯就如同读写文件。CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。CH372在系统中的结构图如图2-11所示。本地端控制器单片机DSPMCUMPU等计算机CH372接口芯片D0D7应用层RD(?)WR(?)INTCS#D+D-AORD#WR#图2-11CH372在系统中的运用该控制芯片具有如下特点：（1）全速USB设备接口，兼容USBV2.0即插即用，外围元件只需晶体和电容。（2）提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输。（3）具有省事的内置固件模式和灵活的外部固件模式。（4）通用Windows驱动程序提供设备级接口，通过DLL提供API应用层接口。（5）通用的本地8位数据总线，4线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。（6）主端点上传下传缓冲区各64字节，辅助端点上传下传缓冲区各8字节。（7）支持5V电源电压和3.3V电源电压，支持低功耗模式。（8）采用SSOP-20封装，并可以兼容ROHS的无铅封装，引脚兼容CH374芯片。1、CH372USB控制芯片结构第20页CH372引脚排列如图2-12所示INT#WR#RD#A0V3UD+UD-XIXOD0VCCCS#GNDD7D6D5D4D3D2D11234567891020191817161514131211图2-12CH372引脚CH372各个引脚功能的功能如表2-4所示：表2-4CH372引脚功能引脚号引脚名功能20VCC正电源输入端，需要外接0.1uF电源退藕电容。18GND公共接地端，需要连接USB总线的地线。5V3在5V电源电压时外接容量为0.01uF退藕电容。8X1晶体振荡的输入端，需要外接晶体机振荡电容。9X0晶体振荡的反相输出端，需外接晶体机振荡电容。6UD+USB总线的D+数据线。7UD-USB总线的D-数据线。1710D7D08位双向数据总线，内置第21页弱上拉电阻。3RD#读选通输入，低电平有效，内置弱上拉电阻。2WR#写选通输入，低电平有效，内置弱上拉电阻。19CS#片选控制输入，低电平有效，内置弱上拉电阻。1INT#中断请求输出，低电平有效。4AO地址线输入，区分数据口与命令口，内置弱上拉电阻，当AO=1可以写命令，当AO=0时可以读写数据。2、CH372USB控制芯片命令（1）命令GET_IC_VER该命令获取芯片及固件版本。返回的一个字节数据是版本号，其位7为1，位6为0，位5位0为版本号。如果返回值为0B7H，去掉位7的1，实际版本号为37H。（2）命令ENTER_SLEEP该命令使CH372芯片进入低功耗睡眠挂起状态（部分型号的芯片不支持该功能）。进入低功耗状态后，CH372芯片的时钟停振，从而节约电能，直到检测到以下两种情况之一才退出低功耗