数据采集及处理系统的设计

1、武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书附件1：学 号： 课 程 设 计题 目数据采集及处理系统的设计学 院自动化学院专 业自动化班 级姓 名指导教师2015年月日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1205班 指导教师： 李道远 工作单位： 自动化学院 题 目: 数据采集及处理系统的设计初始条件： 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，模拟信号采用数字滤波去掉干扰信号， 数字信号采用光耦隔离，将采集数据循环显示在LED或LCD上。要求完成的主要任务:1 输入通道及输出通道设计（020MV输入）

2、，（010V输出）2 每周期内各通道采样10次；3 采用各种（三种）数字滤波算法并比较结果； 4 软件流程及各程序模块设计并用仿真软件演示；5 完成符合要求的设计说明书。时间安排：2015年7月1日2015年7月8日指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日0摘要数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。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

3、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。针对目前实时存盘采集系统存在体积大、设计复杂、成本较高等不足之处，本课题设计了一种基于高速串行总线和数字信号处理器的多路数据采集系统,具有成本较低、集成度较高等特点，同时具有一定数字处理能力。关键词：数据采集和处理，A/D转换，D/A转换，采样保持目录1 设计任务及要求的分析42 方案比较及认证43 硬件电路原理53.1 模拟输入输出通道53.1.1模拟输入通道53.1.2三种数字滤波算法及其比较选择63.2 数字输入输出通道及处理

4、83.2.1 数字输入通道83.3数字量的输出电路114 软件设计及程序124.1 软件思想124.2 流程图124.2.1 模拟通道系统框图124.2.2 数字通道系统框图135 仿真147参考资料16附录一 芯片资料17附录二 硬件电路图21附件三 程序清单211 设计任务及要求的分析数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。 数据采集系

5、统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。 数据采集及数据处理的过程，可以理解为先采集数据，然后将数据输入到CPU，最后输出数据。在这一过程中，还要选择数据通道。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，

6、转换成模拟信号后，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，也可能为电压信号。根据本题目的要求，需将电流信号转换成电压信号。2 方案比较及认证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，一种是每路模拟量均有各自独立的A/D转换器、采样/保持器，另一种是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A/D转换器，因此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

7、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

8、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。3 硬件电路原理3.1 模拟输入输出通道3.1.1模拟输入通道本模块使用MC14067B芯片，通过ABCD端口选择输入路，再将此路信号处理后输入到AD0808中转换为数字信号，输入单片机。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ADC0808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

9、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A/D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ADC0808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1 模拟输入通道3.1.2三种数字滤波算法及其比较选择在模拟信号中常带有高低频干扰信号，它们将直接影响转换精度，使采集的数据不可信。这些干扰信号一般在A/D转换前用RC滤波器加以过滤，但由于滤波电容C不能取得太大，而难以滤

10、去频率较低的干扰。为此，在硬件滤波的基础上还需加上软件滤波，软硬兼施，方能有效的将模拟信号中的干扰信号降到最低限度。（1） 一阶滞后滤波 公式为YK =(X1+X2+X3+XN)/N，在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样，这种方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。（2） 中位值滤波这种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用时，排序的周期的数量要选择适当，如果选择过小，可能起不到去除干扰的作用，选择的数量过大，会造成采样数据的时延过大，造成系

11、统性能变差。（3） 限幅滤波法由于大的随机干扰或采样器不稳定，是的采集数据偏离实际值太原，为此采用上、下限幅，当大于上限值时取上限值，小于下限值时取下限值，当处于上限值和下限值中间的时候，取值本身。对于变化较缓慢的一次参数，可使用一阶滞后滤波，而对于变化较快的参数，可使用算数平均值滤波。本段通过将每一路的值输入后除以10，然后相加，得到每一路通道的平均值为算数平均值数字滤波算法 。同时也减少了存储单元的个数，仅用16个，70H到7FH。MOV A，R0 ；本模块为数字滤波MOV B，#10 ；将转换后的数字量除以10DIV ABADD R0，A INC R0 ；指向下一个存储单元POP ACC

12、3.1.3模拟输出通道为了用DAC0832进行数/模转换，可以使用两种方法对数据进行锁存。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

13、经过运算放大器，形成单极性电压输出。然后通过十六选一的通道反向使用，输出各通道的模拟量。 图2 模拟输出通道3.2 数字输入输出通道及处理3.2.1 数字输入通道为方便起见，本次采用通道0为例，实际上由A/D转换器将连续变化的模拟电压或电流转换为数值上等效的数字信号，以便计算机可以识别和接收。ADC0808是采用CMOS工艺的多路8位逐次比较型A/D转化器，芯片内包括8通道多路模拟开关、8位A/D转化器和一个8位的数据输出锁存器。8通道多路模拟开关由8通道模拟开关及地址译码器组成，主要功能是为多路A/D转换提供方便，允许8路模拟量输入使用同一个A/D转化器。ADC0809采用单一的+5V电源供

14、电，允许的模拟量输入范围为0-5V的单极性，无须进行零位和满度调整。 图3 数字输入通道有一路信号(0V5V)从ADC0809的IN0通道输入，地址输人端A、B、C均接地，这时IN0的通道地址为OOH。0808是8位ADC，对0V-5V的信号，其转换精度为20mV级。P2.4和、共同组成ADC0809的口地址和启动转换控制信号。当P2.4=0时，指定ADC0808的口地址为0EFFFH；当8051的来到时，0809的ALE在脉冲的上升沿锁存地址信号，START在脉冲的高电平启动A/D转换。A/D转换流程图： 图4 AD转换流程图243.3数字量的输出电路将上一段存储的数据通过十六选一的多路开关

15、输出，为了减小误差，采用光电耦合器，将输出和输入隔离开，输出的电压为10V。 图5 数字量输出通道4 软件设计及程序4.1 软件思想本设计由模拟通道与数字通道组成，两个系统完全独立，二者之间没有软件和硬件的联系，所以两个流程图之间没有逻辑关系。4.2 流程图输入10次通过MC14057B和片选将结果输出通过DAC0832进行DA转换数字滤波是否输入16路转换后的八位数值存入单片机RAM中通过AD0809进行AD转换通过片选选择一路输入调理电路将20mv按标度，升到10V十六路通道模拟输入是4.2.1 模拟通道系统框图图6模拟通道系统框图4.2.2 数字通道系统框图开关量通过十六选一多路开关输入

16、对开关量进行调理，将20mv调理到5V将调理后的电压输入单片机RAM存储是否输入16路将每一路信号加在一起存入RAM中是否输入10次判断和是否大于5本路信号为“1”本路信号为“0” 通过MC14057B和片选将结果输出是否否否开关量通过十六选一多路开关输入图7 数字通道系统框图5 仿真图8 液晶屏显示图图9 数字输出为了仿真方便起见我们用一路输入进行仿真为例由液晶屏显示模拟输入20mv数字量为1时数字输出为9.95v基本符合要求6 总结 本次课程设计来的十分突然，我们要在几天时间内完成一个课题的设计。本次题目刚拿到手时，我觉得有些无从下手。在查阅了不少资料后，终于有了一定的方向。由于仿真要使用

17、16选1模拟开关MC14067B，而我们使用的protues中没有这一芯片，不得不寻找其他办法代替。于是，就出现了如今这张电路图。虽然十分简陋，但也算是一个较为合理的解决办法。总之，在这次课程设计过程中，我既学习到了计算机控制技术的知识，又学到了许多书本之外宝贵的分析动手能力。与其临渊羡鱼，不如退而结网。这次课程设计给我的最大的印象就是如果自己有了兴趣，就动手去做，困难在你的勇气和毅力下是抬不了头的。在设计过程中遇到的问题是很多的，但我想难免会遇到这样或那样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的

18、知识重新温故。 7参考资料1 于海生，等. 计算机控制技术. 北京：，机械工业出版社，2007.2 彭虎，周佩玲，傅忠谦编著. 微机原理与接口技术. 北京：电子工业出版社，2008.3 陈立周，陈宇编. 单片机原理及其应用. 北京：机械工业出版社，2006.4 徐爱钧编著.单片机高级语言C51应用程序设计. 电子工业出版社,2002.5 康华光,邹寿彬,秦臻编著.电子技术基础数字部分. 高等教育出版社,2006.附录一 芯片资料（1） 多路转换器数据采集端口为16路多路开关，可以按照需要选定其中1路端口，为实现此功能，采用了MC14067B芯片，MC14067B用来切换信号的传输十分方便。此芯

19、片可以正反两用。MC14067B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。图8 MC14067B的管脚图和通道选择通过ABCD，的值可以选择十六路通道中的某一路输入到AD0809中，进行AD转换。也可以将DA0832转换后的数据输出。（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，由芯片的A，B，C三个引脚来选择模拟通道中的一个，但我们仅适用

20、0通道来进行转换把转换后的数字值存入单片机的RAM里。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10 ADC0809芯片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

21、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

22、特点，微机系统中得到广泛的应用。 图11 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

23、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

24、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，可用运算放大器将电流信号转换成电压信号。附录二 硬件电路图 图12 硬件电路图附件三 程序清单#include<reg52.h>#define ucha unsigned char#define uint unsigned intucha code lcd1=&quo

25、t;AI:20mV"ucha code lcd2="DI:'1'"sbit en=P07;sbit rs=P04;sbit da_wr=P01;ucha num;void delay(uint x)uint i,j;for(i=x;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void writecom(ucha y)rs=0;P2=y;delay(5);en=1;delay(5);en=0;void writed

26、ata(ucha z)rs=1;P2=z;delay(5);en=1;delay(5);en=0;void init()en=0;writecom(0x38);writecom(0x0c);writecom(0x06);writecom(0x01);void main()init();da_wr=0;while(1)writecom(0x80);  /ålcdfor(num=0;num<7;num+)writedata(lcd1num);delay(10);writecom(0x80+0x40);for(num=0;num<6;num+)writedata(lcd2num);delay(10); P3=