多路信号采集板卡硬件电路设计.docx

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多路信号采集板卡硬件电路设计

CompanyDocumentnumber：

WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

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

1绪论

课题的背景

现代工业控制、自动检测技术及信号处理中数据是指现场采集来的电压、电流、压力、流量、液位、温度和角度等信号，此外还包括一些开关量信号。

在微型计算机应用于智能化仪器仪表、信号处理和工业自动化等过程中，都存在着模拟量的测量与控制问题，即将温度、压力、流量、位移及角度等模拟量转变为数字信号，再收集到微型机上进一步予以显示、处理、记录和传输，这个过程即称“数据采集”，相应的系统即为微机数据采集系统。

数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D，单片机组成。

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

它在现代信息领域发挥着重要作用，是信息产品不可或缺的重要组成部分。

因此选择基于单片机数据采集系统设计是很有意义也是很有必要的。

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显着的。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

各种类型信号采集的难易程度差别很大。

实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。

数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。

在日常的工程设备检测过程中，如果采用传统的面板表显示，不仅占用设备多、实时性差，而且测量过程也十分繁琐，效率十分低下。

而近年来，随着控制技术、微电子技术、通信技术和计算机技术的高速发展，不仅促进了工程检测技术和仪器本身的变革，而且使它们增加了很多新的生长点。

检测系统与通信及计算机系统的结合，仪器和测试系统软硬件平台结构的新变化，都正在改变着测试和仪器的面貌。

就新出现的虚拟仪器系统而言，它将计算机资源（处理器、存储器、显示器等）和仪器硬件—插件卡（信号调理、定时、A/D、变换器、高速缓存、数字输入输出电路等）以及用于数据采集、通讯、系统仿真、数据分析以及图形用户界面的应用软件有效结合起来，用户不必了解电子线路及系统软件的细节，只要应用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”，再经过简单的二次开发，就可在较短的周期内开发出适用不同测控对象需要的仪器。

无疑这种新型测试仪不仅智能化程度高，且易于更新升级，灵活性强，但是对测试技术和测试设备要求的提高，无疑使测试成本也大幅增长。

显然，对于一般设备检测来讲，大可不必付出这样的耗费。

考虑单片机的特性，由于它可以提供A/D输入通道，因此非常适用于模拟量（温度、压力、流量）输入采样系统，而其超微型化的特点，无可比拟的价格性能比，无疑为仪器仪表的智能化提供了可能。

基于此情况，本课题拟在设计一种多路信号采集设备，这点与时下国际流行的“测试集成”思想不谋而合，因此它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一实现，且因其功能完善与总体价格的优越性又使它具有实用价值。

在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，如压力的温度的流量的声音的电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为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，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。

这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。

如果是在比较好的现场或者实验室，如学校的实验室，就可以使用USB/PCI这种采集卡。

和常见的内置采集卡不同，外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡，T510-数据采集卡。

数据采集卡的发展及研究现状

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。

数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线（1394）、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

早在五十年代末期，就出现了一种集中式的半自动数据采集系统，其主要的功能是对测量结果进行统计、处理和间接测量的计算等等。

到了六十年代末和七十年代初，随着检测技术和计算机的进一步结合，出现了所谓第一代计算机检测系统，即采用计算机的数据采集系统、数据自动分析系统和综合自动检测系统。

这些系统的检测过程主要通过模拟/数字（A/D）转换器，把检测仪表与计算机连接在一起，组成以小型机为基础的数据采集系统。

其特点是检测过程可以对数据进行处理并将结果贮存、显示、打印或生成报表。

到了七十年代中期，又产生了第二代计算机自动检测系统。

由于通用标准接口总线（IEEE-488,RS-232C等）的出现，解决了仪器仪表相互之间和仪器仪表同计算机之间的连接问题，这样就形成了以计算机为核心，有多台可程控的仪表按积木方式组合成成套装置。

这种检测系统占领了仪器仪表市场，而且还在不断的完善和发展。

微型计算机的诞生，使测试技术发生了深刻的变革，目前正在发展的以微处理器为基础的智能仪表和检测系统是属于第三代计算机自动检测系统。

这种智能化检测系统的突出特点是把微处理器和仪表结合在一起并构成一个整体，其特点是许多仪表中的硬件功能可以由软件代替，这样不仅使系统大大简化，降低成本、减小体积和重量及提高系统的可靠性，而且由于软件编程工作具有很大的灵活性，因此可以使系统的功能大大增强。

通过微型计算机可以对电压、电流、压力、温度等物理量进行直接采样和计算，经过计算处理后，能立即得出试验设备的各种参数和性能，从而大大减轻了劳动强度，使劳动生产率得到成倍增长，测试数据和计算结果能自动打印，克服和消除了人为因素造成的误差，最终使系统的可靠性和测试精度及测试效率大大提高。

而且这种智能化仪表一般都具有与计算机相连接的标准接口，作为一台智能控制仪表单元接入系统，从而可以组成功能更强、规模更大的自动检测系统，通过软件编程将各种数据处理技术应用于检测系统中，使系统精确度提高。

除此之外，还可以采用程控人－机对话功能、故障诊断功能、记录显示功能、量程切换功能和结果判断功能，使检测系统的自动化水平及智能化程度大大提高。

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。

在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录，为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。

在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。

总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益也越高。

数据采集卡，绝大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（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。

现在市场上有一种二合一采集卡，二合一，指的是数字模拟采集卡，AV+DV采集卡，数字、模拟二合一，数字输入输出，模拟接口输入（DV/AV/S-video）。

最后虽然说是采集卡，但实际应用中经常需要它输出控制信号。

采集卡广泛应用于安防监控、教育课件录制、大屏拼接、多媒体录播录像、会议录制、虚拟演播室、虚拟现实、安检X光机、雷达图像信号、VDR纪录仪、医疗X光机、CT机、胃肠机、阴道镜、工业检测、智能交通、医学影像、工业监控、仪器仪表、机器视觉等领域。

2信号采集板卡总体方案设计

系统设计的基本原则

1）确保性能指标的完全实现

系统设计的根本依据是所达到的性能指标，它必须首先得到保证，如采样速率、系统分辨率、系统精度等等。

要保证系统性能指标，主要应考虑输入信号的特性，如输入信号的通道数、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信号、信号的频带宽度、信号中的噪声及其共模电压大小、信号源的阻抗等。

2）系统的结构合理选择

系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性价比等有直接影响。

首先是硬件软件功能的合理分配。

原则上要尽可能“以软代硬”，只要软件能做到的就不要用硬件。

其次要考虑系统的布局以及接口性。

接口特性包括采用什么样的总线、采样数据的输出形式（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。

软件工程是建立在科学基础上的一整套开发方法，它强调结构化分析、结构化设计和结构化编程。

按着软件工程学的方法进行设计，可以保证有较高的软件开发效率，保证所开发的软件有较长的生存周期，才能取得较高的经济效益。

4）安全可靠，有足够的抗干扰能力。

要保证在规定的工作环境下，系统能稳定、可靠的工作，保证系统精度能符合要求，同时也要保证系统应用人员的人身安全。

这方面要充分利用各种标准，尽可能按法律法规办事。

这里要指出，标准仪器的总线为数据采集系统的设计提供了很多方便。

这些标准总线已经对系统结构、通行方式及接口、可靠性甚至于机箱结构尺寸等都做了充分的考虑，设计人员需按着标准的规定设计自己要开发的部分即可。

硬件设计的基本原则

1）良好的性价比

系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。

因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。

　　2）安全性和可靠性

选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。

要有超量程和过载保护，保证输人、输出通道正常工作。

要注意对交流市电以及电火花等的隔离。

3）较强抗干扰能力

有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。

例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。

系统设计要求

在工控系统设计中,通常涉及到多路传感器输出的模拟信号采集、开关量采集、频率量采集、显示输出、模拟信号输出、PWM信号输出、和上位机进行通信的应用。

本设计采用Siliconlabs公司的C8051F020芯片设计通用的开发板，可以满足上述功能应用。

本设计只要求硬件设计，采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性；冗余设计（考虑以后的扩展及修改）。

设计高性能的数据采集系统,需要对系统的每一部分都要周密考虑、精心设计,否则难以实现设计目标。

应该首先给出数据采集系统设计中应考虑的问题,并针对这些问题,从信号源开始到信号的调理、直至多路信号选择、数字化器件及其与微计算机接口,最后到计算机,即从数据采集系统始端到末端逐个环节进行问题分析,根据分析结果以及经验给出解决问题的实用技术。

系统功能概述

本课题正是针对市场的趋势，通过充分运用单片机内部资源，对多种参数测量、显示和传输等进行了研究，设计了一套多路信号采集卡。

基于C8051F020单片机的多路信号采集板卡，为信号采集提供了多种功能，以适应可能遇到的不同测试条件。

充分利用了C8051F020单片机丰富的硬件资源，使得进一步扩展功能而不改变硬件电路成为了可能，硬件设计包括了单片机接口电路的设计和单片机作用对象的设计，在硬件电路的基础上，高质量的软件可使仪器的性能大为提高，其中包含如：

中断控制、定时、显示、码制转换、自动量程转换以及信号的采集、处理、输出等程序。

在设计时，软硬件的配比问题得到了重视，较多的使用硬件来完成了一些功能，充分提高了工作速度，减少了软件工作量。

整个系统由单片机监控电路、包括电源电路、A/D转换电路、I/O驱动电路、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、日历时钟电路、数据存储电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）的标准信号，通过信号放大调理电路把模拟信号送到单片机内部的A/D转换器，CPU根据设定的采样周期，对多路通道信号进行循环采集，并读取A/D转换器转换的数字信号，进行分析计算后将实测值送到液晶上指定的位置显示，同时通过键盘控制把有用的数据及采样时间存储在E2PROM中，同时PWM输出，D/A输出驱动外部电路，最后通过串行通讯把E2PROM中的数据传送到PC机。

图系统功能图

系统主要模块的选择

单片机的选型

单片机是数据采集器的核心，因此单片机的选型很重要。

本系统要求具有高可靠性，防震、防水、防尘、宽范围的工作温度；各种信息的采集与存贮必须准确可靠，不易丢失、破坏。

因此选用的单片机应具有集成度高、稳定性可靠性高、抗干扰能力强、控制灵活、易于开发等特点。

C8051Fxxx系列单片机是美国CYGNAL集成产品公司最近推出的功能强大的混合信号系统级（SOC）高速芯片。

它共有4个子系列：

C8051F0xx系列、C8051F02x系列、C8051F2xx系列和C8051F3xx系列。

本系统选用C8051F02x系列的C805IF020单片机作为核心部件。

C8051F02x系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。

芯片上有64位数字I/O口（C8051F020/2）或32位数字I/O口（C8051F021/3）。

在本系统中，选择美国CYGNAL公司新推出的一种兼容MCS-51内核的C8051F020单片机作为整个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，为了扩展静态存储器容量，有时还必须增加地址锁存器芯片，用以锁存地址/数据分时复用引脚的地址信息，失去了使用单片机芯片的意义。

另外，由于本系统至少需要6个I/O端口作为数据通讯的控制接口，而普通单片机一般只有4个I/O端口，难以满足实际控制要求。

因此我们选择了C8051F020作为整个系统的控制部件，它具有以下特点：

1）指令运行速度高

由于C8051F020单片机采用流水线机构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，由标准的12个系统时钟周期降到1个时钟周期，处理能力大大提高，一般型号单片机的峰值速度可达到25兆/秒（MIPS），在相同的时钟下，指令运算速度比一般的80C51系列单片机提高大约10倍。

70％的指令执行时问为1个或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。

2）I/O端口功能采用软件配置实现

多数单片机的FO端口都是某个单功能或多功能的固定输入输出引脚，而在C8051F020单片机中，虽然耽I端口的通用基本输入、输出特性与标准8051是兼容的，但I/O端口的其他特殊功能则是由软件配置实现的，这样极大地提高了端口配置的灵活性。

用软件配置的方法是引入了功能选择开关（也称交叉开关）。

这是一个数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚，这种结构可支持所有的功能组合，可通过设置交叉开关寄存器，将片内的计数器/定时器、串行接口总线等数字信号配置到I/0引脚。

用户可以根据需要选择通道和所需的数字资源组合。

每个端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出，内部“弱上拉”可以通过软件设置禁止，这样可以进一步降低功耗。

3）时钟系统更加完美

C8051F020单片机可以采用多种时钟源。

MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的，还可同时选择外部时钟源产生的时钟。

外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟，并可实时切换。

4）可实现通过JTAG接口的在系统调试

C8051F020单片机中配置了片内JTAG接口和调试电路，完全符合IEEEll49．1标准，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能，可以实现对器件所有引脚及相应引线的控制和观察。

JTAG接口使8位单片机传统的仿真调试产生质的变化（标准的MCU仿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的插座，而C8051F020具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口TCK、TMS、TDI、TDO并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试，不需要额外的目标RAM、程序存储器和寄存器），在PC机软件的支持下，通过片内JTAG接口可直接对安装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设都可全功能运行。

5）多种复位方式

传统的80C51系列单片机通常只有通过RST引脚进行复位这样一种复位方法，而C8051F020提供了多达7个复位源：

1个VDD片内监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效监测器、1个由比较器0提供的电压监测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。

除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以用软件禁止。

多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。

6）进一步降低了系统功耗

C8051F020单片机采用了可降低系统功耗的多种方法，例如，采用3V（电压范围2．7v-3．6V）供电，完善的时钟系统可在满足响应速度的要求下，使系统的平均时钟频率最低。

由于功耗与电压和频率成正比，因而可方便地降低功耗：

多种复位源可使系统在掉电方式下，方便、灵活地重新复位；片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功耗。

具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。

所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件片内JTAG调试电路允许使用安装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）、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JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用的电压工作。

端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入电压信号。

由于C8051F020的高集成度，避免了外扩ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可编程I/O口、E2PROM，简化了硬件电路，为形成以C8051F020为核心的单片机系统创造了条件，从而可提高系统的可靠性。

可见C8051F020单片机片内功能强大，功耗和体积都很小，而且具备灵活的扩展能力，同时由于该芯片采用TQFP100贴片封装，所以大大地节省了电路板的面积，采用高速8051作为整个系统的微控制器，提升了系统的整体性能。

液晶模块的选择

作为人机接口重要环节之一的显示器件近年来发展非常快，目前有发光二极管、数码管、平板显示器、阴极射线管（CRT）及液晶显示器系列。

液压挖掘机早期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势。

液晶显示器在仪器仪表中得到广泛应用，它体积小、耗电低、显示信息丰富，随着批量的增大，价格也越来越低。

由于本课题所设计的数据采集系统应用在比较广泛，为了使用方便简捷，所以选用了DMF12864J单色液晶显示模块，该模块每屏可以显示四行字，若显示更多内容需要翻页显示。

时钟芯片的选择

在信号采集系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。

记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。

传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。

而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。

采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。

外扩存储器模块的选择

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扰而改写，更不能因停电等事件而丢失。

串行E2PROM是当前信号采集设计中最合适的器件。

不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。

在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。

EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。

本系统选用Microchip公司生产的24LC16B来实现这种功能。

24LC16B是具有I2C接口的E2PROM。

其容量为2048×8位，分为8个页面，每页256字节。

3信号采集系统的硬件设计

C8051F020单片机介绍

整个信号采集卡系统采用C8051F020单片机进行控制。

C8051F020是由SiliconLaboratories公司生产具有与MCS-51完全兼容的指令内核的单片机。

该系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，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。

而且型号单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS（与IIC兼容）等总线。

C8051F系列单片机采用FlashROM技术，集成JTAG，支技在线编程，使系统软件开发时间大大缩短。

C8051F020主要技术特点：

●高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；

●全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

●12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；

●8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；

●两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；

●64KB可在系统编程的Flash存储器；

●4352（4096+256）B的片内RAM；

●可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；

●硬件实现的SPI、SMBus/IIC和两个UART串行接口；

●5个通用的16位定时器；

●具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

●片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；

●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）；

●C8051F020工作电压，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压；

●与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性；

●64个IO口，TQFP100封装。

引脚封装如图所示。

图C8051F020引脚图

C8051F020主要组成及功能：

1）CIP-51微控制器内核

C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与8051兼容的高速ClP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序