高速数据采集系统原理分析和设计

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

目录

1.高速数据采集的相关基础知识....................................1

1.1数据采集系统的基本组成...............................................1

1.2A/D转换的过程.......................................................1

1.3高速数据存储........................................................2

1.4数据采集基本原理....................................................3

2高速数据采集系统的方案.........................................6

2.1基于单片机AT89C51的数据采集系统设计................................6

2.3基于FPGA高速数据采集系统............................................9

2.3基于DSP的高速数据采集处理系统......................................11

2.数模转换器(D/A)的选择.................................................13

3高速数据采集系统的方案分析比较................................15

4高速数据采集系统的设计.........................................16

4.1设计思想..........................................................16

4.2设计方案..........................................................16

5.硬件设计.....................................................18

5.1AT89C51单片机......................................................18

5.2模数转换器ADC0809..................................................19

5.3单片机与虚拟终端的通信.............................................21

5.4LED数码显示器的应用原理............................................24

5.5总设计图...........................................................25

6.软件设计.....................................................26

6.1流程图.............................................................26

6.2源程序.............................................................27

7.仿真结果及性能分析...........................................32

7.1仿真结果...........................................................32

7.2性能分析...........................................................33

8.心得体会.....................................................34

9.参考文献.....................................................35

本科生课程设计成绩评定表........................................36

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

1.高速数据采集的相关基础知识

1.1数据采集系统的基本组成

数据采集系统一般由数据采集、数据处理、处理结果的实现与保存三个部分构成。数

据采集指被测信号经过放大、滤波、A/D转换，并将转换后的数据送入计算机。这里要考

虑干扰抑制、带通选择、转换准确度、采样/保持及与计算机接口等问题。数据处理指由计

算机系统根据不同的要求对采集的原始数据进行各种数学运算。处理结果的实现与保存指

处理后的结果在X-Y绘图仪、电平记录器或CRT上浮现出来，或者将数据存入磁盘形成文

件保存起来，或通过线路送到远地。

(a)数据采集系统的组成

(b)数据采集系统的处理流程

图1数据采集系统的组成

1.2A/D转换的过程

模拟量转换为数字量，通常分成三个步骤进行。这就是采样保持、量化与编码。连续

的模拟信号x(t)按一定时间间隔乙采样-保持后得到台阶信号Xs(n),在经过量化变为量化

信号Xq(nTs),最后编码转换为数字信号X(n)。在现代ADC器件中，这三个步骤一般合起

来在一个器件中完成。转换过程可以用图2表示：

1

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

图2模数转换过程

1.3高速数据存储

1.分时存储

分时存储技术利用一个高速锁存器将采集的高速数据锁存，而后利用多个相对慢速的

存储器对数据进行存储以保证数据存储的可靠性。由于多个静态存储器分时参与了数据存

储的过程，使得多个慢速静态存储器分时存储操作过程进行了叠加，其效果等效于一个高

速静态存储器的操作。

2.数据降速存储

所谓数据降速存储技术，就是对在数据存储之前将高速数据的速度降低到低速存储器

可以及时存储的程度。该方法避免了多个存储器的使用，只需利用一个大容量的存储器就

可以实现数据的存储，实现起来相对分时存储简单。设计中可以利用串并转换电路对数据

进行降速处理以满足后续的存储器速度较低的要求。串并转换电路的基本原理为数据的串

并转换，将数据依次存入串行移位寄存器中，然后并行输出，降低了传输数据的速度，以

满足存储器工作速度的要求。

2

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

1.4数据采集基本原理

1.数据采集过程

取样就是利用取样脉冲序列尸(。，从连续信号/■⑺中抽取一系列的离散样值。这种离

散信号通常称为“取样信号”，以/；«)表示。在一般情况下，取样输出是取样脉冲序列P⑺

与连续信号/⑺的乘积。

对于实际的高速A/D,采样过程并不是理想的，保持电路可能会存在孔径效应，而影

响编码，最终影响数据的原始性，在选用高速A/D时，一般选模拟带宽较宽的A/D比较好。

2.采样

采样可以看作是一个脉冲调幅的过程。

其中：£(/)=/(/)•?«)，当P")的脉冲宽度7<<7时,就接近理想采样,P⑴变

为〃⑴脉冲，接近b函数

M(t)=Z6(t-nT)(2)

n=-<c

上⑴"(/)・〃(/)(3)

将(3)式代入上式

A+<X>

工(/)=Zfs{nT)-S(t-nT)(4)

当然实际情况可以将尸(/)近似看作以便于分析模拟信号经采样后，频谱会发生周

期延拓。

+00

MQ=z—=吟(5)

n=-oo

c2兀

其中Qs=>^,Qs也就是采样角频率，由傅氏级数理论可得

&="⑹

1-H®

M(t)=-XeJ'm^(7)

T7

对于采样信号频谱

00

A+A+00A

-00-00

1J/(力—\力=总1+00工C/G-/g)(8)

-^o

3

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

当信号采样后，要能恢复为原来所包含的信息，在保证频谱不发生混叠的情况下，我

们可以将采样信号工⑺通过一个理想低通滤波器，这个理想低通滤波器只让基带频谱通过,

因而滤波器的带宽应等于折叠频率。

从频域上看，由(8)式可知，能通过低通滤波恢复/(f)。

下面从时域来看其恢复的过程。理想低通G。。)的冲激响应

1T+%/2sin-/

S^=^\GW^dt=—\(10)

/万―-t

T

其输出

y(/)=J〃7)g(一)4

=』〃工工(心(~〃r)g(i)4(11)

-oo——

+Q0

="£/")g(""T)

sin工«一〃7)

N(，—〃T)=—1-------(12)

't-nT

(12)式称为内插函数。将(12)式代入(11)式有:

,、心sin—

"/MW⑺j(13)

式(13)即为采样内插公式，在每个采样点nT上，具有该采样值不为0,所以其能保

证各采样点上信号不变，对于在不为nT的这些时刻，即为各采样函数延伸叠加而成。这从

时域上解释满足采样定理的信息恢复。

当然，实践中不可能通过计算内插公式恢复信息，这样各点计算量太大。实际工程中

常通过一个D/A变换器加低通滤波器恢复原来信息。

3.量化与量化误差

(1)量化

量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。量化单位定义为量化器满量程电压FSR

(FullScaleRange)与2"的比值，用q表示，因此有

4

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

（2）量化方法

①“只舍不入”的量化

所谓只舍不入的量化，是指信号中幅度小于量化单位的部分一律舍去。

当0工工（囱）“时，/（〃1）=0;当qJgQ时，/（〃1）="当

2”/（〃7；）W3q时，/（〃力=2/……等等。

②“有舍有入”的量化

“有舍有入”量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，离幅值最近的量化电平作为

信号在该时刻的量化值。

当（附）铐时，〃附）=0；当卜f（附）“时，fqg=q；……等等。

③量化误差

由量化引起的误差称为量化误差（也称为量化噪声），记为e。

e=/（附）-/（〃力（⑸

/（〃?;）--信号采样

工（〃库-一量化信号

5

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

2高速数据采集系统的方案

2.1基于单片机AT89c51的数据采集系统设计

本系统的结构框图如图所示，系统由传感器、放大器、滤波器、采样/保持器AD346、

多路开关CD4051,A/D转换器AD579、串口芯片8251、可编程计数器/定时器8253构

成的时序电路、DMAC8237构成的直接存取控制电路、存储芯62256和27128及CPU

INTELAT89C51等部分组成。传感器、放大器、滤波器及存储芯片可根据需要更改数目。

AD579

放大讲AD346SO-S7COMll>\IN

X8CD4051

7

P3.0-7

P3.O-7

89C5I

P4.0-7

P3.O-7

7

P3.0-7

0________P4.0-7

图3系统结构框图

工作原理：上电后，CPU完成对系统中可编程器件的初始化及通道数的预置，整个系

统需要的时序由CPU所控制的8253定时/计数器提供。传感器实现非电量到电量的转换,

放大器则将传感器输出的微弱电信号放大后送人到滤波器进行抗混叠处理并滤除杂散信

号,8个采样保持器AD346对转换得到的电信号进行同时采样/保持，经过由可设定选择

路数的多路开关，轮流把各采样/保持器采集的信号送到高速A/D转换器AD579中，完

成模拟量到数字量的转换，这个过程采用的是同时采样、分时转换的方式。在DMAC8237

6

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

的控制下，将采集到的数据高速传送、存储在大容量数据存储器中，然后通过串口电路

传入Pc机，利用Pc机对采集得到的数据进行分析、处理。

1.信号调理

本系统中信号调理电路包括传感器、放大器、滤波器，根据实际环境选择相应的加

速度、温度、或湿度传感器，放大器采用通用型集成运算放大器Ixa74L它对温度漂移

和共模信号抑制能力强，具有很强的放大能力，最高达几十万倍。工业控制现场的噪声

可能经过传感器进人数据采集通道，使采集到的信号中包含多种频率成分的噪声，严重

时噪声甚至会淹没待提取的输入信号，所以采用滤波技术以提高信号采集系统的信噪比

很有必要。8位精度时，AD579的转换周期是1.5s,取2s,8路同时采样分时转换，

亦即AD346的采样电平至少要持续16s,取20s,即频率为50kHz。根据奈奎斯特采

样定理，要从抽样信号中无失真的恢复原信号，采样频率应等于或大于2倍信号最高频

率，奈奎斯特采样频率频率应等于或大于2倍信号最高频率，奈奎斯特采样频率为信号

频率的两倍。工程上的采样频率一般为被采样信号频率的3—4倍。由于本系统采用的采

样/保持器和模/数转换器的限制，此滤波器的最高截止频率最多取为12.5kHz,选择适当

的电阻值和电容值以达到此要求。

2.采样/保持电路

采样/保持器AD346的工作电压范围是-iTOVDC,它在2s以内可达到-i-0.01%的

精度，可完成对模拟信号的高速采样及保持。

3.多路选择开关

CD4051是八选一型多路开关，它的作用是将待采集的8路信号分时逐个切换到A/D

转换通道。可根据被采集对象的个数及频率范围设置被采集信号的路数，亦可实现多选一,

最高可八选一。

4.模拟/数字信号转换

本系统采用的A/D转换器件是AD579,它具有极短的转换周期：lObits精度时为

1.8s,8bits精度时仅为1.5s。其EOC转换结束标志位为信号转换结束后引发中断提

供了时钟脉冲。转换得到的数据通过数据锁存器74LS373锁存，在CPU或者DMA的控

制下再送人外扩存储器或PC机内部存储器。

5.串口电路

串口电路采用可编程串行通信接口芯片8251,它具有八条双向数据线，与系统的数

7

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

据总线相连，在接收控制/数据信号的控制下，传输CPU对8251的编程命令字和8251

送往CPU的状态信息及数据。

6.直接存取电路

所谓直接存取即在没有CPU的干预下，用硬件实现存储器和存储器之间、存储器和

I/O口之间直接进行高速数据传输，存储器地址的修改和传送完成的报告均由硬件自动完

成，这种方式极大地提高了传送的速度。DMAC8237的低地址位通过总线隔

离器与CPU的低地址位相连，其数据线与高位地址线复用。作为高位地址线时通过锁存

器，再通过总线隔离器与CPU的高地址位相连；同时作为数据线，也直接与AT89C51的

数据线相连，也要与AD579的数据位相连。8237的时钟脉冲由AT89C51的时钟脉冲提

供。CPU通过数据选择器对8237进行初始化控制信号发送。8237的发送请求信号由CPU

的外部中断提供。

7.时序电路

本系统时序电路由可编程计数器/定时器8253,辅以单稳态触发器74121整形得到。

8253内部含有3个独立的16位计数器，每个计数器均可达2MHz的计数速率，8253输

出的波形为方波，不满足AD346和AD579的时序需求，所以需要经过74121整形。74121

集成单稳态触发器有3个触发输入端Al,A2,B,在触发信号控制下电路可由稳态翻转到

暂稳态。暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值，有T一0.7RC,选择不同的电阻

值和电容值对8253产生的方波整形得到需要的采样/保持和模/数转换控制信号。系统中

采用的数据采集方式是8路信号同时采样、分时转换，AD579对每路信号的转换时间是

1.5s（8bits精度时），取2s。AD579启动后经200ns后出现下降沿转换开始。因此应提

供AD579周期2s的脉冲，其中高电平持续200ns,低电平持续1.8s。转换八路需要的

时间是16s,AD346的采样时间是2s,而保持时间必须大于或等于16s,提供周期为20s

（高电平持续2s,低电平持续18s）的时钟脉冲给AD346。根据奈奎斯特抽样定理及工程

实践，被采集的对象应是低于12.5kHz的模拟信号。

8

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

2.3基于FPGA高速数据采集系统

数据采集系统框图：

—\_两即7ppriAD辘器lADiiO檄信号

机「F芯片.‘怖：，（ADS930）<理器，输入

X_______ZI_____]I1I_________________][____

图4数据采集系统硬框图

数据采集和传输系统只要由FPGA（中心控制模块）、USB（串行总线）、A/D转换器以

及其它的外围辅助电路组成。

（1）A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成数字量，由FPGA接受、缓冲、存储

经USB2.0端口传到PC机上。

（2）FPGA是控制模块的核心部分，主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计

算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。

（3）USB2.0提供了一个可以和计算机连接的数据传输口，其作用是用来接受主机信

号并通过它的端口来控制A/D转换器进行数据的采集。

（4）PC机通过USB接口将控制命令和参数给FPGA,然后FPGA再对A/D转换器进行时

序控制以及对转换数据的接收。

9

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

模拟输入

图5数据采集器原理图

模拟输入信号事先经过AD调理电路，在经ADS930的模数转化，将数字信号传递给

EPM1270Tl44c5N芯片，CLPD与USB之间通过控制线以及I/O口实现控制信息和数字信息的双

向传递，与此同时，CPLD通过FIFO总线建立与8051核的链接。而USB芯片与PC机是通过USB

接口建立相应的联系。5V的电压通过电压转换芯片转换为3.3V,并将此转换的3.3V电压对

USB芯片进行供电。E'PROM由12c接口实现与USB的信息交互。

1.FPGA的选择

为节约成本，由FPGA及其相应的配置电路可由CPLD代替，这样将便于项目的进行,

为此我们采用型号为EPM1270T144C5N的CPLD模块。

2.USB芯片选择

目前市面上有很多类型的USB的接口芯片，它们要在外部的微控制器的控制下进行操

10

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

作，如果微控制器的工作频率比较低，势必影响数据传输的速率。CY7c68013芯片中的FIFOS

不需要微控制器的控制就能直接与外围电路进行数据传输，解决了USB高速模式下的带宽

问题。选择该芯片的另个重要原因Cypress公司为EZ_USBFX2系列产品的开发提供了大

量的技术支持，如公司为开发者提供了主控平台，固件开发环境和事例及相应的技术文档。

3.AD的选择

将模拟信号转化为数字信号实际上是模拟信号时间离散化和幅度离散化的过程。通过

时间离散化由采样保持（S/H）电路来实现，而幅度离散化则由A/D转化器来实现。随着

高集成度的提高，有许多A/D芯片将采样保持电路也集成在内部。既减小了体积，又提高

了可靠性。在选择A/D转化器时，主要考虑一下几个方面：

（1）转换速率

A/D的转换速率取决于模拟信号的频率范围

（2）量化位数

根据A/D转换的原理，A/D转换过程中总存在量化误差。量化误差取决于量化位数，

位数越多量化误差就越少。如n位的A/D转化器，其量化误差为1/2"：

（3）输入信号的电压范围

A/D转化器对模拟输入信号的电压范围有严格的要求，模拟信号电压只有处在A/D转

化器的额定电压范围内，才能得到与之成正比的数字量。由于在A/D转换器之前已经加了

信号调理电路，通过调节放大倍数和直流偏移量，总能满足A/D转化器对输入电压的要求。

（4）参考电压VREF要求

A/D转换的过程就是不断将被转换的模拟信号和参考电压VREF相比较的过程。因此，

参考电压的准确度和稳定性对转换精度至关重要。

（5）控制信号及时序

A/D转换器工作时必须由MCU或PLD控制，因此，选择A/D转换器时，应考虑接口的

方便性和高低电平的兼容。

根据以上分析，我们选择BURR-BROWN公司生产的8位、30MHz高速A/D转换器ADS930。

ADS930采用3〜5V电压电源，流水线结构，内部含有采样保持器和参考电压源。

2.3基于DSP的高速数据采集处理系统

本系统是以TMS320LF2407为核心，对模拟信号进行高速采集，并转换成数字信号，

11

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

然后暂存到RAM中，并通过串口传输到系统微机中。本系统硬件连接相对简单，其数据采

集与传输简单可行，数据的采集、处理、传输主要都由软件来实现。

图6为系统设计结构框图。在通常的数据采集系统中，测量过程是通过A/D转换器的

控制来实现的，但对于一个高速采集系统而言，这种办法是有局限性的，因为高精度A/D

建立稳定的工作状态需要相当长时间，频繁的改变A/D工作状态会影响测量精度，严重时

会造成信号失真，所以对A/D选择要求较高。

图6数据采集与处理系统框图

A/D转换的过程是：首先对输入的模拟信号进行A/D转换，并将转换后的数据锁存到

缓冲寄存器中，以确保采集数据的稳定可靠，通过口地址译码器提供的片选信号和DSP的

读写信号，将缓冲器中的数据送入总线。

D/A转换的过程正好与A/D转换的过程相反，将数子信号进行D/A转换，将转换的模

拟信号再送入执行部分。

1.模数转换(A/D)选择

模数转换器的选择主要从四个方面考虑：

⑴分辨率与量化误差：分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术

指标。A/D转换器的分辨率取决与A/D转换器的位数。量化误差是由于A/D转换器有限字

长数字量对输入模拟量进行的离散取样(量化)而引起的误差，其在理论上为一个单位的分

辨率，即分辨率与量化误差是统一的。

⑵转换精度：

转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化上的差值，用绝对

误差或相对误差来表示。转换精度指标有时以综合误差指标表达方式给出，有时以分项误

12

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

差指标表达方式给出。

⑶转换速率：

转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所完成的转换次数。它与转换时间(既A/D转换从

启动到结束所需的时间)互为倒数关系。

(4)满刻度范围：

满刻度范围是指A/D转换器所允许的输入电压范围。满刻度范围是一个名义值，实际

A/D转换器所允许的最大输入值要比满刻度值小。

结合以上几个方面因素，本系统采用TLC5510作为模数转换器。

图7TLe5510的I/O时序

2.数模转换器(D/A)的选择

模数转换器的选择从以下四方面考虑：

⑴分辨率：分辨率指当输入数字发生单位数码变化时所对应模拟量的输出的变化量。

数值换算方式如A/D的分辨率一致。

(2)转换时间：转换时间指当输入二进制代码，从最小值突跳到最大值时，其模拟量电

压达到与其稳定值之差小于1/2LSB时所需的时间，因而转换时间又称稳定时间，其值通

常比A/D转换时间要小得多。

(3)转换精度：转换精度指整个工作区间实际的输出与理想的输出电压之间的偏差，可

用绝对值或相对值来表示。转换精度包含了D/A转换器误差的所有因素。

(4)尖峰误差：尖峰误差是指输入代码发生变化时刻而使输出模拟量产生的尖峰所造成

的误差。产生尖峰误差的原因是由于诸开关在切换过程中响应时间不一致和寄生参数所造

成的。尖峰持续的时间虽然很断，但可能幅值很大，在某些场合必须施加相应的措施予以

避免。由于尖峰的出现是非周期的，因而不能采取简单的滤波方法来消除，常用单稳电路

或S/H电路，利用单稳的延迟时间来躲过尖峰。

鉴于以上四方面因素，选择AD7524作为数模转换器件。AD7524是CMOS数模转器。

13

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

3.执行部分

执行部分由电阻、三极管、续流二极管、继电器和被控部分构成。OUTDA输出信号

控制三极管的导通，三极管导通继电器工作，开关闭合，被控设备工作，续流二极管起保

护作用，防止继电器线圈的反向电压击穿三极管。

4.数据存储器RAM接口设计

系统选用IS61C6416作为外扩RAM,当TMS320LF2407访问片内局部数据存储器时，

数据空间选择信号方和存取选通信号而前处于高阻状态。只有当TMS320LF2407访问映射

到外部存储器地址范围的存储单元时，外部总线才有效。砺有效表示外部总线正被数据

存储器占用。每当外部总线有效（访问外部存储器或I/O）时，TMS320LF2407将把漏信

号置为低电平。

3.7串行接口电路的设计

TMS320LF2407串行通信接口（SCI）模块是一个标准的8位通用异步接收/发送（UART）

可编程串行通信接口。SCI有两个串行引脚,SCITXD（SCI发送输出脚），SCIRXD（SCI接受

输入脚）；Baudrate可编程为64K种；奇偶校验/无奇偶校验功能；四种错误检测标志：parity,

overrun,framing,andbreakdetection;半双工或者全双工通讯模式;NRZ通讯模式；发

送和接受中断使能分开。

因为DSPTMS320LF2407用高性能静态CMOS技术，使得输出电压降为3.3V,为与标

准逻辑TTL电平相匹配，采用电阻网络将TTL电平降为+3.3V电平，通过MAX232芯片作为

TTL电平到RS232电平转换电路。

14

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

3高速数据采集系统的方案分析比较

设计一个高速数据采集系统应满足以下两个基本性能要求：一是高速性，现在高速数

据采集通常要求达到几十甚至几百MSPS的采样速度，因此需要采用高速ADC技术和高速

缓存技术来保证采样和数据传输的高速性；二是大容量，高速数据采集必然带来巨大的数

据流量，一个4通道20MH采样率16位精度数据采集系统采样0.1s将产生16M的数据

量，所以需要采用海量缓存来解决采样数据的存储问题。

为此，针对上述提出的方案，在此做出简单的分析与比较如下：

（1）单片机控制的高速数据采集系统是一种由AT89C51单片机控制的高速数据采集系

统。该系统的数据采集与存储完全靠硬件实现,其数据采样频率只取决于所选用的A/D转

换器，而不受AT89C51单片机速度的影响，因而可实现高速数据采集。本数据采集系统与y

一些传统的数据采集系统相比较，具有采集数据快，采集精度高，实时性好的特点，采用

16位单片机，高速采样/保持器件AD346,高速模/数转换器件的AD579及直接存取的方

式，不仅实现了数据采集系统的最关键性功能，而且在性能上有了明显的提高。该数据采

集系统是一个独立且通用的数据采集处理、分析系统，可广泛应用于实时监测。

（2）基于FPGA高速数据采集系统采用FPGA和USB2.0芯片CY7C68013为核心的高速

采集系统，设计了在FPGA的控制下，USB接口模块、AD转换模块等协同工作下对输入信

号的数据采集系统。该系统可以实现对信号的高速采集，并通过USB总线与上位机通信，

实现在Labview控制界面下进行显示以及数据的存储，这种基于FPGA的同步采集、实时

读取采集数据的设计充分发挥了FPGA和USB的优点，提高系统采集和传输速度。

（3）基于DSP的高速数据采集处理系统中该系统以TMS320LF2407为核心，对模拟信

号进行高速采集，并转换成数字信号，然后暂存到RAM中，并通过串口传输到系统微机中。

本系统硬件连接相对简单，其数据采集与传输简单可行，数据的采集、处理、传输主要都

由软件来实现。本系统包含模数转换（A/D）、数模转换（D/A）、串行通信等模块，主要功

能是实现模拟量从一个终端到另一个终端的高速采集。本系统在信号处理、自动控制、语

音、通信中可以得到广泛的应用，但由于工作环境的需要，有时需要扩展两片（多片）A/D

和两片（多片）DSP构成双通道同步采样数据采集与处理系统。

15

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

4高速数据采集系统的设计

4.1设计思想

高速数据采集系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的

器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基

本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系

统中采用的是8051系列的单片机。采用RS232c标准接口，由芯片MAX232实现的通信。

采用的是LED数码管显示模拟量，虚拟终端显示数字量。

图9系统框图

4.2设计方案

1.A/D模数转换的选择

A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数

越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也

各不相同。

⑴逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，

其转换时间在几微秒到几百微秒之间。

⑵双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比

较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。

⑶并行式A/D转换器：它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了

很多个比较器，而n位的转换就需要2n-l个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，

16

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。

鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼

近式A/D转换器——ADC0809o

2.单片机的选择

单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系

统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路(I/O□),还有可能

包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路(LCD和LED驱动电路)、脉宽调制电路、

模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计

算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keiluvision4把程序下载到

单片机内。

而本设计选用的是AT89C51o

3.串行口的选择

该串行口我选用了标准RS-232c接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯

片是MAX232,MAX232的优点是：

(1)一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。

(2)单一电源+5V供电

(3)它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。

4.显示部分

采用LED数码管来显示输入的电压，而通过串口通行在虚拟终端来显示数字量。

17

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

5.硬件设计

5.1AT89C51单片机

AT89c51是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储

器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全

兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有

灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89s51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、

超有效的解决方案。

AT89s51具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定

时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，

片内晶振及时钟电路。另外，AT89S51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节

电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中

断或硬件复位为止。

量

>XTAL1PO.O/ADO

P0.1/AD1

37

P0.2/AD2一

嚏

XTAL2P0.3/AD3

P0.4/AD4

34

P0.5/AD6一

P0.6/AC633

一

RSTP0.7/AD732

21

P2.0ZW622

P2.1版23

P2.2/A1024

PSENP2.3/A1125

ALEP2.4/A1226

EAP2.5/A1327

23

P2.6/A14-10

P2.7/A1511

一

12

P1DP3.0/RXD一

13

P1.1P3.1/TXD一

P3.2/INTO14

P12一

P13P3.3/INTT

嚏

P1.4P3.4HU

P15P3.5/T117

一

P1JBP3.6JWR

P1.7P3.7/RD

图10AT89c51的引脚图

它一共有40个引脚，引脚又分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作

18

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2o还

有由POD、Pl口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（1\0）引脚。最后一

种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。

综上所述，单片机的引脚特点是：

1.单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。

2.单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数

据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INTO、INTI、TO、Tl、WR、RD以及Pl口的T2、T2EX

组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。

5.2模数转换器ADC0809

按模拟量转换成数字量的原理可以分为3种：双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转

换器。而该系统选用的是ADC0809。

1.C0809的介绍

ADC0809是八通道的八位逐次逼近式A/D转换器。由单一的5V电源供电，片内带有

锁存功能的8选1的模拟开关。由C、B、A的编码来决定所选的模拟通道。转换时间为lOOuSo

转换误差为1/2LSBO

INOADDA25

24

IN1ADDB23

IN2ADDC22

IN3ALE21

IN420

伯

IN52-1MSB伯

IN68

IN7

15

START14

EOC17

OUTPUTENABLE13

CLOCK2-8LSB

VCCGND

VREF(+)

VREFM

TEXT>

图11ADC0809的引脚图

IN7~IN0：八个通道的模拟输入量。

ADDA、ADDB,ADDC：模拟通道地址线。当CBA=OOO时,IN0输入，当CBA=111时，IN7

19

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

输入。

ALE：地址锁存信号。

START：转换启动信号，高电平有效。

D7~D0：数据输出线。三态输出，D7是最高位，DO是最低位。

0E：输出允许信号，高电平有效。

CLK：时钟信号，最高频率为640KHZo

EOC：转换结束状态信号。上升沿后高电平有效。

Vcc：+5V电源。

Vref：参考电压。

2.ADC0809时序图及其接口电路

其工作过程是：ALE的上升沿将A、B、C端选择的通道地址锁存到8位A/D转换器的

输入端。START的下降验启动8位A/D转换器进行转换。A/D转换开始使EOC端输出低电

平。A/D转换结束，EOC输出高电平。该信号通常可作为中断申请信号。0E为读出数据允

许信号。0E端为高电平时，可以读出转换的数字量。硬件电路设计时，需根据时序关系及

软件进行设计。

ADC0809与AT89C52单片机的接口方式，如下图所示：

20

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

图13ADC0809与AT89C52单片机的接口方式

由于ADC0809具有输出3态锁存器，其八位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地

址译码引脚A、B、C分别与地址总线低三位AO、Al、A2相连，以选通IN0FN7中的一个

通道。在启动A/D转换时，由单片机的P3.4控制A/D转换器的地址锁存和转换启动，由于

ALE和START连在一起，因此AD0809在锁存通道的同时，也启动了A/D转换器。在读取

转换结果时，用低电平的读信号RD,产生的正脉冲作为0E信号，用以打开三态输出锁存

器。将转换结果输出。而低电平的写信号WR则表示转换结束状态信号。

5.3单片机与虚拟终端的通信

1.串口通信RS-232C

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种

方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线

路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不

21

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最

常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调

制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数

据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该

标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还

对各种信号的电平加以规定。

（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机

与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容。见表3.2所

示

（2）接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻

辑“1”，-5--15V；逻辑“0"+5-+15Vo噪声容量为2V。即要求接收器能识别低至

+3V的信号作为逻辑“0”，高于一3V的信号作为逻辑“1”。

表1常用引线的信号内容

引脚序号信号名称符号流向功能

2发送数据TXDDTE->DCEDTE发送串行数据

3接收数据RXDDTE<-DCEDTE接收串行数据

4请求发送RTSDTE->DCEDTE请求DCE将线路切换到发送方式

5允许发送CTSDTE<-DCEDCE告诉DTE线路已接通可以发送数据

6数据设备准备好DSRDTE<-DCEDCE准备好

7信号地信号公共地

8载波检测DCDDTE<-DCE表示DCE接收到远程载波

20数据终端准备好DTRDTE->DCEDTE准备好

22振铃指示RIDTE<-DCE表示DCE与线路接通，出现振铃

（3）接口的物理结构RS-232c接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常

22

武汉理工大学《专业综合》课程设计说明书

插头在DCE端,插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送

控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9

的9芯插头