数据采集及处理系统的设计Word下载.doc
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年
07
月
03
日
课程设计任务书
学生姓名：
何润专业班级：
自动化0902班
指导教师：
张丹红工作单位：
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。
要求完成的主要任务:
1．输入通道及输出通道设计（0~20mV输入），（0~10V输出）
2．每周期内各通道采样10次；
3．对模拟信号采用一种数字滤波算法；
4．完成系统硬件电路设计，软件流程及各程序模块设计；
5．完成符合要求的设计说明书。
时间安排：
2012年6月25日~2010年7月4日
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
数据采集及处理系统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用非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理的过程。
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。
而数据处理就是通过一些滤波算法，删除原始数据中的干扰和不必要的信息，分离出反映被测对象的特征的重要信息。
本次课程设计采用A/D和D/A转换器和MCS-51单片机组成数据采集系统，数据采集系统可以通过A/D转换把模拟信号转换成数字信号，并且可以方便的实现数字信号存储。
该设计具有结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能，能够适应油田野外恶劣环境,；
具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、回放过程的信号可以直观的观察。
它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动等性能。
数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统在工农业控制系统、医药、化工、食品等领域得到了广泛的应用。
数据采集器具有良好的市场前景，在我们工业生产和生活中有着举足轻重的地位，因此，本次课程设计数据采集及处理系统有着一定的实际意义
关键词：
数据采集，处理，A/D转换，D/A转换，采样保持
目录
1方案论述 1
1.1方案要求 1
1.2任务分析 1
2方案对比及认证 2
3方案设计思路 3
4硬件电路原理 5
4．1多路采样开关 5
4.2模拟通道及处理 6
4.2.1模拟输入通道 6
4.2.2模拟输出通道 8
4.3数字通道及处理 9
4.3.1数字输入通道 9
4.3.2数字输出通道 10
5软件设计和程序流程 11
5.1软件设计流程 11
5.1.1设计思想 11
5.1.2模拟通道流程图 11
5.1.3数字通道设计流程 12
5.2程序设计 13
5.2.1主程序流程图 13
5.2.1A/D转换程序 14
5.2.2数字滤波程序 16
5.2.3D/A转换程序 18
6心得体会 19
7参考文献 20
附录一硬件电路图 21
附录二芯片资料 22
附录三程序清单 26
31
武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书
数据采集及处理系统的设计
1方案论述
1.1方案要求
本课题要求设计一个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。
输入0~20mV，输出0~10V；
每周期内各通道采样10次，并对模拟信号采用一种数字滤波算法。
设计系统硬件电路、软件流程及各程序模块。
1.2任务分析
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，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。
2方案对比及认证
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口，数据采集系统主要需要解决的是模拟量输入通道问题，根据设计要求，16路的模拟量输入，需要确定模拟量输入通道的结构。
模拟量通道结构有两种，一种单通道模拟量输入，即每路模拟量均有各自独立的A/D转换器、采样/保持器，另一种是多通道模拟量输，即模拟量通过多路开关，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，造成了总体成本高昂，这种并行结构一般用在高速数据采集系统中；
后者共用一套A/D转换器和保持器，主要特点是经济实用等。
如果能够达到题目所需的要求时，一般采用该方案。
当前随着高性能的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。
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。
模拟输出通道同样也有两种基本结构形式：
每一个通道使用一个D/A转换器，速度快，工作可靠，缺点是较多的D/A转换器会提高成本；
另外一种就是多个通道共用一个D/A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。
这种结构形式的优点是节省了D/A转换器，由于每个转换器要分时工作，所以这种结构只适用于通路数量过多且对转换速度要求不高的场合。
3方案设计思路
数据采集及处理系统是指模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。
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。
本次设计的系统原理框图如图1所示。
.
图1系统原理图
（1）数据采集
数据采集系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，这一过程需要用到多路开关对数据进行采样。
为满足设计要求的16路模拟信号输入，需要一片16路8位A/D转换器ADC0816来实现。
ADC0816是逐次比较式16路8位A/D转换器，包含有一个8位A/D转换器和16路单端模拟信号多路转换开关。
16路的多路转换开关由4位地址编码选通，可直接接通16个模拟通道中的任意一个，并提供通道扩展功能。
对任何模拟信号的调节工作可在多路转换器输出和8位A/D转换器之间经行。
该器件不需要在外部进行锁存和译码，而且地址线为三态输入，转换后的数据为带锁存的三态输出，因此容易与多种控制机联接使用也可独立工作。
由于ADC0816自带一个16路复用器，且有以上优点，故选用ADC0816来实现16路模拟信号输入。
（2）数据存储
数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。
为实现一个采集频率高，采集速度快，稳定高的数据采集系统。
有效的方法就是用单片机来实现，以前数据采集器采用模拟电路组成，电路复杂且采集信号速度慢，精确度低，抗干扰性不强。
而采用单片机和相关硬软件组成不但结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能，能够适应油田野外恶劣环境,；
80C51提供4K字节闪速存储器，128字节内部的RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个双全工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，80C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
在此选择AT89C51作为控制芯片。
（3）数据处理输出
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，输出重要信息，或者把数据恢复成原来的物理量形式输出。
数据处理可以通过数字滤波算法，数字滤波是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，它实际上是一种程序滤波，不需要增加硬件设备，可靠性高、稳定性好。
16路开关信号输出和16路数字信号输出，也可选用16路复用器4067。
所谓多路复用是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。
通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的。
通道的选择取决于4067的4位地址输入编码。
16路模拟信号输出选用一片8位D/A转换器DAC0832和一片多路复用器4067组成。
DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，为使其变成电压输出，要经过运算放大器。
运放的输出通过4067变成16路模拟信号输出，输出通道号由多路复用器的地址端决定。
4硬件电路原理
4．1多路采样开关
设计要求的每个周期对各通道采样10次，计算机的运算速度远远快于采样参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。
所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。
模拟开关不同于一般的数字开关，它所切换的是模拟量，理想状态应该是开断电阻无穷大，导通电阻为零；
频带宽度无穷大，功耗为零；
开通和断开无过渡过程。
当开关导通时应只允许有用信号通过，不允许无用信号或干扰耦合到输出端。
实际使用中，上述理想状态是不存在的，只能根据使用场合进行合理的选择。
除了在芯片内集成的少量模拟开关外，在微机控制系统中，广泛使用的是多路模拟开关。
在模拟量输入通道中，它把多个输入信号接到一个公共点上，以便进行放大或数字化处理。
在模拟量输出通道中，它把D/A转化器输出的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路，此时模拟开关是一对多的转换，故又称多路分配器。
由于题目中有16路模拟输入信号，为了方便，避免还要将多路模拟开关扩展，直接选用了4067。
4067是16路双向模拟开关，所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；
而单向则只能完成多到一的切换。
其内部
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