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

多路信号采集板卡硬件电路设计

1绪论

1.1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著的。

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。

1.2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

2.1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。

2.2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。

2.3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。

2.4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