多路信号采集板卡硬件电路设计

多路信号采集板卡硬件电路设计多路信号采集板卡硬件电路设计题的背景是指现场采集来度和角度等信号，此外还包括智能化仪器仪表、信号处理和测量与控制问题，即将温转变为数字信号，再收集到微传输，这个过程即称“数据采集系统。数据采集系统一般由信号采集系统在多个领域有着广泛的应要组成部分。因此选择基于单。智能化程度高，且易于更新升级，灵活性强，但是要求的提高，无疑使测试成本也大幅增长。显然，对于一不必付出这样的耗费。考虑单片机的特性，由于它可以提AD(温度、压力、流量)输入采样系统，而可比拟的价格性能比，无疑为仪器仪表的智能化提供了可题拟在设计一种多路信号采集设备，这点与时下国际流行而合，因此它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一与总体价格的优越性又使它具有实用价值。环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡(模块)在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传络)把数据传到计算机或者其他控USBPCI见的内置采集卡不同，外置数的测量集系统，其主要的测过程可以对数据进和仪器仪表同计算机之间的连接问题，这样就形成了以程控的仪表按积木方式组合成成套装置。这种检测系统且还在不断的完善和发展。微型计算机的诞生，使测试目前正在发展的以微处理器为基础的智能仪表和检测系动检测系统。这种智能化检测系统的突出特点是把微处构成一个整体，其特点是许多仪表中的硬件功能可以由以对电压、电流、压力、温度等物理量进行直接采样和率得到成倍增长，测试数据和计算结果能自动打印，克的误差，最终使系统的可靠性和测试精度及测试效率大故障诊断功能、记录显示功能、量检测系统的自动化水平及智能化程度大大提高。对生产现场的工艺参数进行采低成本提供信息和手段。在科量的动态信息，是研究瞬间物的重要手段之一。总之，不论及时，工作效率就越高，取得多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量(其实本质上还采集卡和数字量采集卡用得是最防监控、教育课件录制、大屏、工业监控、仪器仪表、机器1)确保性能指标的完全实现样速是模拟量还是数字量、信号的强弱及动态范围、信号的输入方式(单端输入还是差动输入，单极性还是双极性，信号源接地还是浮地等)、是周期信号还是瞬态2)系统的结构合理选择硬件数据的输出形式(串行还是并行)、数据的编码格式等。3)对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的方法进行设计。4)安全可靠，有足够的抗干扰能力。硬件设计的基本原则低价价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关2)安全性和可靠性力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的护，保证输人、输3)较强抗干扰能力作正常和不产生错误的必要条以及经验给出解决问同测作用件的配比问题得到了重视，较多的使用硬件D/A输出电路、串口电路、程序下载电路、键盘电路、液晶显示电路、日历时钟路和串口通讯等组成，系统的结构框图如图所示。本系统执行的过程如下：传感器把采集的非电量信号转换成电压(0-5V)或电流(4-20mA)ADPCPC机信号处串行通信时钟电路D/A输线性隔离液晶显示数码管显示CPU处PWM输信号调整电路光电隔离驱动电路传感器采集号信号放大电开关量信号键盘电路A/D转I/O口(C8051F020/2)或32位数字I/O口(C8051F021/3)。在本系统中，选择系统控制的核心控制单元。之所以选择该款单片机，是因为第一、二代单片机芯片构成控制系统时，由于片内存储器品种单一、容量有限，常需要通过外部存储器芯片以及随机读写静态存储器芯片来扩展存储器的容量。此外，为了扩展静态增加地址锁存器芯片，用以锁存地址/数据分时复用引脚特点：1)指令运行速度高大提期。2)I/O端口功能采用软件配置实现O3)时钟系统更加完美发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的，还可同时选4)可实现通过JTAG接口的在系统调试脚及相MCU真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插占用片内资源)、实时在系统仿真调试。在调试时，所有的模拟和数字外设都可全5)多种复位方式6)进一步降低了系统功耗MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用度范围(-45C到+85C)内用的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许使用发光二极管或数码管显示，由于显示信息单调而有被液晶显示器取代的趋集系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某对测采样了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。选择作为信号采集卡需要有许多数据(如时钟显示的时间，电压、电流、机车功率、发动机转速等)是变动的或可以通过正常手段修改的，但不能因系统中的干B列单片机采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期两种可软件编程的电源管理方式------空闲方式(等待方式)和停机方式 (掉电方式)；压；；于应用。2)中断系统3)存储器据RAM，还有位于外部数据存储器地址空间的4KB的RAM存储区。4)模数和数模转张块CAD都配了可以用软件改变放大倍数的可编程增益放大5)并行接口6)串行接口7)定时器和可编程计数器阵列钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为~。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能DS2存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续采集系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资决这个问题，时钟电路如图所示。线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功复位电路复位电路允许很容易地将控制器置于一个预定的缺省状态。在进入复位状态2)特殊功能寄存器(SFR)被初始化为所定义的复位值；3)外部端口引脚被置于一个已知状态；4)中断和定时器被禁止。数据保持不I/O端口锁存器的复位值为0xFF(全部为逻辑‘1’)，内部弱上拉有效，使外复位状态后的四个系统时钟之内。注意：在复位期间弱上拉是被禁止的，在器件退出复位状态时弱上拉被使能。这就使得在器件保持在复位状态期间可以节省功在退出复位状态时，程序计数器(PC)被复位，MCU使用内部振荡器运行在所示。以保护K2的触点。机，在本系统的模拟输入和冲击信号进入单片机的接口电路。在接口电路中采用大电路过各自相应的传制码数字供给单片机的中央处理单元进行数字和逻辑运算，电压比例调整电路如图所示。图电压比例调整与单片机接口电路AD转换电路别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。DA路数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。本系统采用的C8051F020主芯片有两个片内12位电压方式数/模转换器 DAC输出电路如图所示，每个DAC的输出摆幅均为0V到(VREF-1LSB)， DDDD1通过驱动电流If电源(VCC)是整个开发板正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短组成了128(列)×64(行)的全点阵液晶显示。它的主要特性有以下几点：1)工作电压为+5V，可自带驱动LCD所需的负电压。2)全屏幕点阵，点阵数是128(列)×64(行)个(16×16点阵)汉字，也可3)与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出。4)内部有显示数据锁存器。5)简单的操作指令显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/VDDVLCDE1234567890~-10VH/LH/LH/LH/L示示LEDELH/LH/LH/L，另一种块与单片机的间接接口电路如图所示。图液晶显示接口电路最为位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的O键盘电路其与单片机接口电路如图所示。当用手按下一个键时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况，在释放一个键时，也会出现类似的情况。这就是键抖动，抖动时间持续不一，与开关的机械特性有关，通片机执行每条指令的时间很短，在控制二极管亮灭的时候应该延时一控制的应用，片选地址输入引脚必须在器件能够继续正常工作之前驱动为逻辑‘0’2)串行数据(SDA)引脚串行数据引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入/Hz3)串行时钟(SCL)该输入引脚用于数据传输同步。4)写保护(WP)引脚该引脚必须连接到VSS或者VCC。如果连接到VSS，5)电源输入(VCC)引脚标称条件下，如果VCC低于，则VCC阈值检测RS-232C标准时美国电子工业协会(EIA)与BELL等公司一起开发的1969MAX芯片，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232C标准串口设计的单电源电平转换芯片,它的内部有电压倍增电路和转换电其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数IMCU的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省K离作用，输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，-40C~85C，光电隔离部分电路模块如图所示。与源极之间电压VGS=±20V，漏极电流ID=23A(TC=100C)或ID=33A(TC=55C，器件响应快，工作范围广(工作环境温度从室温到100C)，功率大，满足输出电JTAG调试电路MCUJTAG逻辑，提供生产和在系统测试所需要的JTAG在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、实时在系统仿真调试。在调试时，所有的模拟和数字外TDO。通过16位JTAG指令寄存器(IR)可以发出8种指令，MCU中有三个与硬件抗干扰技术来源就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成。温度控制系统控制器的干扰来源主要有三条途径：电磁感应、传输通线。其中电磁感应干扰来源比较复杂，但在一般情况下，其干扰的强度从传输通道和电源线上进入的干扰。对于电磁干扰可用屏蔽和正确的接另两线的干扰对于系统而言从电气性能上分为串模干扰和共模干信号有时长达一两百米，干扰源通过电磁感应和静电耦合作用在长信号线上往往存在着一定的电位差对于输入通道上的两根引线均存在对某一基准的引入的，电源干扰一生的间，导线与导线之间，导线与组件之间都存在着分部电容。如果某一导体上的信号电压(或噪声电压)通过分布电容使其它导本系统的硬件抗干扰技术主要进行了以下几方面的设计：1)对于电源接口采用隔离技术。电源电压波动引起的干扰是控制器的一个干由于电源电压波动对其它电路产生干扰，控制器的电源选用开2)滤波与缓冲技术。本文在所有芯片的电源引脚上都加接普通电容滤波，在一级电路，这样可以使信号传输3)数字电路和模拟电路分开。数字电路与模拟电路分开的原因是数字信号与，信号变化的快慢不一样，数字信号变化快，模拟信号路等，这些电路直接与现场环境相连，会引入一定的干4)妥善接地。接地技术是抗干扰技术中一个非常重要的组成部分。本文的地模拟电路地以及功率电路地。设计时采取数字电路地量小。电路设计中将大功率发热器件(如开关电源、功率管等器件)远离敏感组计中尽可能减少过孔的使用迟，而且在一定程度上破坏了信号线6)加强组件的可靠性。选择高可靠性的元器件，在对电路参数计算时，留出焊接时对于焊锡做到既光滑又饱满，保证焊接引脚与电路防止虚焊；并且注意大器件的安装定位以防止大器件松B理论的东西无论讲解的多详细，指导的多全面，也不及实物摆放出来更具说服部分引线尽量宽，甚至要加焊锡条，高压元件应该有足够的间距保证安全，在这到一起，防止出现共地干扰。对于数字电路来说，时钟晶振应该尽量靠近单片机中，在放置元件时应遵守先放置单元电路中的主要元件，一般是集成电路或体积对其它电路影响尽量小，引线尽量短的原则。1)本系统从原理图到PCB的设计流程：建立组件参数→输入原理网表→设计输出。2)参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加l且走线很4)设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应≥从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如果电路。5)检查布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合开始所制定的规则，方。6)复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。7)封闭的物理边框对以后的元件布局、走线来说是个基本平台，也对自动布题麻烦可就大了。还有就是拐角地方最好用圆弧，一1)模拟地线宽度较宽，因其通过电流较大，同时减小干扰。2)线间距设置较大，主要考虑到设计好的PCB板要手工腐蚀和打孔，精度没3)布线拐角设置成45度，主要是为了防止过度腐蚀或腐蚀不够情况出现，4)过孔和焊盘都比默认值大，主要是考虑到焊盘过小在手工制作PCB电路板5)设计为双层板，这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错(可以