论专用的数据采集系统毕业论文文档格式.docx
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本论文在分析国内外数据采集系统的基础上，考虑到数据采集的速度、精度和可扩展性，选用了PHILIPS公司的ARM7控制器LPC2388，设计出一套通用性较强的数据采集系统。
实现高速高精度数据采集、显示和传输等功能。
本文的主要研究内容如下：
（1）分析了国内外数据采集系统的研究现状，将系统划分为不同模块，研究了基于ARM7芯片LPC2388的数据采集系统的硬件电路及软件设计，初步实现了对信号的高精度采集、显示及传输功能。
（2）利用24位精度ADS1255芯片通过SPI协议实现高精度的数据采集。
（3）通过控制ST7920实现数据显示在液晶显示屏上。
（4）通过以太网模块实现串口通信。
2高精度数据采集仪的原理介绍
2.1数据采集系统概述
2.1.1数据采集系统的定义
将被测系统的各种模拟参量转换为数字信号并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集，而相应的系统则为数据采集系统。
数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作。
它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。
由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值或通过信号处理对该模拟量进行分析。
与模拟系统相比，数字系统具有精度高、可靠性高等优点，因此数据采集技术的应用越来越广泛。
如温度、压力、位置、流量等模拟量可以通过不同类型的传感器将其转化为电信号模拟量（如电压、电流或电脉冲等），再通过适当的信号调理将信号送给模数转换器（ADC），使其转换为可以进一步处理的数字信号送给数字信号处理器或微处理机。
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，针对现有设备状态、监测系统因采用有线传输方式而存在的布线困难、信号易受干扰、升级维护不方便等问题，在传统数据采集系统的基础上引入了无线通讯技术。
现如今，基于ZigBee、3G和WiFi的无线数据采集系统的开发研究正在如火如荼的进行之中。
2.1.2数据采集系统的分类
数据采集系统的形式多种多样，用途和功能也各不相同。
常见的分类方法有以下几种：
根据数据采集系统功能分类：
数据采集和数据分配；
根据数据采集系统适应环境分类：
隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；
根据数据采集系统控制功能分类：
智能化数据采集系统和非智能化数据采集系统；
根据模拟信号性质分：
电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入（SE）和差动输入（DE）,单极性和多极性；
根据信号通道的结构方式分：
单通道方式、多通道方式。
2.1.3数据采集系统的结构形式
从硬件方面看，目前数据采集系统的结构形式主要有两种：
一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。
微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关，程控放大器、采样保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。
集散数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机和通讯线路组成。
数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于待测对象附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号形式传送给上位机。
2.1.4数据采集系统的性能指标
数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环境着密切关系，对应不同的应用情况往往有不同的要求，主要有以下几个指标：
系统精度、系统分辨率、采样速度、动态范围以及非线性失真。
其中系统分辨率是数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。
系统精度是指工作在额定采样速率下，每个离散子样的转换精度。
其中模数转换器的精度是系统精度的极限值。
其中系统精度和系统速度为数据采集系统所追求的主要性能指标。
对任何量值的测量都要有一定的精确度要求，否则将失去采集意义；
提高数据采集的速度不仅可以提高工作效率，更重要的是可以扩大数据采集系统的使用范围，以便实现动态测试。
其它的还有诸如便携性、低功耗和可靠性的要求等。
2.2数据采集基本原理
电压、温度、压力这些信号都是模拟量，它们是随时间变化而连续变化的。
而微处理器系统内部运算时使用的是数字量，这就必须将模拟量转化为数字量。
因此，通常需要在电路前端加上模拟量数字量转换器，即ADC（AnalogytoDigitalConverter）。
在AD转换过程中，因为输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字量在时间上是离散的，因此需要在某些选定的时间点上对模拟量进行采样，把这些采样值转化为数字量。
一般的AD采样过程是通过采样保持、量化、编码这三个步骤完成的。
即将时间上连续变化的模拟量转化成一系列等间距的脉冲，脉冲的幅度取决于模拟量的大小，并按一定的编码格式输出转换结果。
2.2.1采样定理
现代通信原理已经证明，为了保证能从采样信号Vs恢复原信号Vi,必须满足采样定理，即
fs≧2fimax（2-1）
式2-1中，fs为采样频率，fimax为输入模拟信号Vi的最高频率。
在满足采样定理的前提下可以用一个低通滤波器将信号Vs还原成Vi，低通滤波器的频率特性|A（f）|在低于fimax的范围内保持不变，而在fs-fimax之前迅速下降为0，因此采样定理规定了采样频率下限，在工程设计中通常取fs=（3～5）fimax。
2.2.2量化
在AD转换过程中，用数字量表示连续变化的模拟量时，必须将采样的电压值表示为某个最小单位的整倍数，这个过程叫量化。
这个最小单位称为量化单位，用Δ表示。
量化过程中必然存在误差，这种误差叫做量化误差。
2.2.3编码
把量化得到的结果用二进制表示出来，称为编码。
编码的最低有效位（LSB）所代表的数量大小等于Δ。
2.3信号调理电路概述
信号调理是连接被测控对象和检测与控制系统的中间环节，其性能的好坏直接影响到测控系统的控制性能。
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。
信号调理电路一般分为放大部分和滤波部分。
如图2-1所示：
图2-1信号调理电路
2.3.1放大部分
在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。
因此传感器的输出是放大器的信号源。
然而，多数传感器的等效电阻并不是常量，他们随所测物理量变化而变化。
这样，对于放大器而言，信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变化。
为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器输入阻抗加大，这样经信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。
此外，传感器所获得的信号通常为差模小信号，并含有较大的共模部分，且其数值有时远大于差模信号。
因此，要求放大器具有较强的共模信号抑制能力。
介于以上特点，应该采用具有高输入阻抗和高共模抑制比的仪表放大器作为采集系统的放大部分。
（1）仪表放大器概述
仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。
仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。
与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。
仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。
（2）仪表放大器的构成及原理
仪表放大器电路的典型结构如图2-2所示。
它主要由两级差分放大电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；
差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
图2-2仪表放大器
目前仪表放大器的实现方法主要分为两大类：
一类由分立元件组合而成；
一类由单片集成芯片直接实现。
2.3.2滤波部分
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。
滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波分经典滤波和现代滤波两种。
只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。
常见的滤波器的分类：
（1）按通频带分类如下：
①当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。
②当允许信号中较低频率成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。
③当只允许信号中某个频率范围通过滤波器时，这种滤波器叫带通滤波器。
（2）按滤波阶次分类
滤波的阶数就是指过滤谐波的次数。
一般地讲，同样的滤波器，其阶数越高滤波效果就越好。
目前有一阶、二阶和高阶滤波器。
（3）按所用元件分类
若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。
若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。
①无源滤波电路
无源滤波电路的结构简单，易于设计，一般无源滤波只通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。
这样谐波电流就不会流入系统。
无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。
缺点为谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的。
且它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。
无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC（电感、电容）电路滤波。
②有源滤波电路
有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。
有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。
但电路的组成和设计也较复杂。
有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。
2.4AD转换器概述
2.4.1AD转化器的主要参数指标
由于单片机、ARM、DSP等微控制器芯片的运行速度不断提高，数据采集应用领域的扩大，这就要求也能满足高速、高精度的要求。
主要电气参数如下：
（1）分辨率
AD转换器的分辨率是指能够区分的最小单位输入模拟量。
它表示了AD转换器对输入信号的分辨力，通常以输出二进制值的位数表示。
在输入信号一致时，分辨率位数越多，分辨力越高。
常用的ADC有8位，10位，12位，16位，24位，32位等。
一个n位ADC分辨率为被测电压最大值除以2的n次方。
（2）转换精度
AD转换器的实际输出值与理论值的差异叫转换精度。
当用百分比和最低有效位（LSB）表示时，它叫做相对精度。
需注意的是分辨率与精度没有直接关系，分辨率描述的刻度划分的，它反映了区分最小信号的能力；
而精度是用来表示准确性的，它反映了器件描述物理量的准确程度。
（3）转换时间与转换速率
AD转换器完成一次转换的时间称为转换时间。
转换速率是指在保证输出的数字信号跟踪输入的模拟量且没有增加误差的情况下，输入信号允许输入的最大变化率。
对于大部分AD转换器，转换速率与转换时间是倒数关系，即转换速率是转换时间的倒数。
但对于简单的ADC来说，转换速率等于采样保持捕获时间和转换时间之和的倒数。
此外，对于一些高速的ADC，由于采用了流水线等技术，转换速率比转换时间快得多。
2.4.2AD转换器的分类
（1）积分性AD转换器
积分性AD转换器基于间接AD转换技术，将输入电压转换成频率（脉冲频率）或者时间（脉冲宽镀信号），然后由定时计数器获得数字值。
它具有精度高、抗干扰性强、造价低的特点，常用于低速数据采集系统，如温度、湿度、重量等仪表上。
（2）逐次比较型AD转换器
它是一种直接AD转换技术，它由比较器、DA转换器、控制逻辑和逐次寄存器等构成。
取一数字量加在一DA转换器上，从最高位开始，顺序的将输入电压逐一与DA转换器结果进行比较，经N次比较直到两模拟电压相等为止。
在中高速数据采集系统及智能仪器仪表等系统中得到广泛应用。
这种AD转换器具有速度快、精度高、功耗低等特点。
（3）并行比较型AD转换器
并行比较型ADC的转换速度最快，转换原理也最直观。
采样多个比较器，n位转换需要2的n次方减1个比较器，因此电路规模大，要获得分辨率比较高的ADC是比较困难的。
它的转换速度极快，但造价极高，在高速数据采集如图像处理、数字通信等领域应用广泛。
（5）Δ-∑型AD转换器
Δ-∑型AD转换器由比较器、积分器、DA转换器和数字滤波器等组成。
将输入电压转换成时间信号（脉冲快度），在经数字滤波器后得到数字量。
电路容易集成到一个芯片上，因此容易做到高分辨率。
Δ-∑型AD转换器经常用在高分辨率场合，如音频、测量等场合。
2.5ADR431B简介
AD的原理是将基准电压分成2的N次方与输入电压进行N次方比较。
如24位AD就要进行24次比较，得到24个0、1。
因此基准电压的好坏直接影响着转换结果的精确度。
ADR43x是XFET系列基准电压源，具有低噪声、高精度和低温度漂移性能。
利用ADI的温度漂移曲率校正专利技术和XFET（外加离子注入场效应管）技术，可以使ADR43x电压随温度变化的非线性度降至最小。
与嵌入式齐纳基准电压源相比，XFET基准电压源能以更低的功耗（800µ
A）。
它可在4.5V到18V的宽电压范围内工作。
另外，其无需外部电容、低温度系数、宽工作电压、高输出源电流和吸电流等优点使其成为一款高性能基准源。
ADR431B是2.5V基准源，其温度系数为3ppm℃,精确度为±
1mv，精度达到0.04%。
是一款极高性能的基准源，常用于高精度模数、数模转换的基准源。
2.6系统总体方案设计
首先，经各种传感器采集得到的模拟电信号经过放大、滤波送入AD转换器进行AD转换。
转换结果经控制芯片处理后进行显示并存储。
最后通过以太网模块与上位机进行通信。
而微控制器本身要正常工作需要加以电源电路、时钟电路、复位电路，并且开发程序时需要调试电路。
因此本设计的总体框图如图2-3所示：
图2-3总体设计框图
3系统硬件电路设计
3.1主控制器
3.1.1主控制器选型
目前，常用控制芯片有ARM、DSP、FPGA和各种单片机。
如今，嵌入式设备已经融入到我们生活的方方面面，如手机、汽车、无线通通讯和个人助理等。
ARM处理器（AdvancedRISCMachines）是现在世界上应用最广泛的32位处理器之一，它体积小、成本低、功耗低、可靠性高、资源丰富，是嵌入式设备的核心。
据调查，基于ARM的处理器已占据了32位RISC芯片的75%的市场份额，可以说ARM技术几乎无处不在。
ARM处理器通常具有以下特点：
（1）采用流水线技术，提高了处理器核的效率和吞吐率。
通过锁相环（PLL）技术来倍频时钟。
（2）多重AHB总线，使AHB系统可以同步进行而不会产生竞争。
（3）具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能，无需使用昂贵的编程器和仿真装置。
（4）大容量的片内Flash程序存储器和SRAM，可以进行高性能的CPU访问，使其工作更加可靠。
支持外部存储器，如：
NANDFlash、SRAM和SD卡等，可以进行海量数据存储。
（5）内置PWM、AD、DA等功能单元，可以不外接转换装置而对模拟信号进行处理和控制。
定时计数器、实时时钟、中断系统等内部重要资源得到了大幅度提升，时期更适合实时控制。
（6）强大的数据通信功能，芯片内置了通用串行接口（USART）、同步串行接口（SPI）、两线串行总线接口（I2C）、CAN总线接口、USB接口、以太网接口，支持OTG和DMA功能。
一般单片机是8位单片机，最高工作频率只有40MHz，而ARM7是32位处理器，经PLL倍频以后最高工作频率可达72MHz。
考虑到系统要以较高精度较高速度进行数据采集，ARM7的寄存器足够大，可以一次把转换结果读入寄存器，片上资源多，性价比较高，因此选用ARM7芯片不失为一个好的选择。
为了系统的可扩展性和今后研究学习的需要，搭建的硬件平台具有较多的资源，如多个UART口、CAN、USB、以太网、SD卡、无线通讯等。
考虑到数据处理的速率和实时性，与液晶进行并口通讯，需要较多的IO管脚。
考虑到编写程序、处理数据的方便性和为了未来移植操作系统的需要，需要较大的Flash存储器和SRAM。
因此选用较高端的ARM7芯片LPC2388。
LPC2388是Philis公司生产的基于实时仿真的32位ARM7TDMI-S微处理器，适用于为了各种需要而进行通讯的应用。
它包含了4个UART、1个SPI、2个同步串行端口（SSP）、3个I2C接口、2路CAN通道、1个I2S接口、10100EthernetMAC、USB2.0等接口并支持OTG等功能。
LPC2388具有高达512K的Flash存储器和96K的SRAM。
Flash在ARM的局部总线上，能够进行高性能的CPU访问：
有两个AHB系统，可以同步进行EthernetDMA、USBDMA和片内Flash执行程序；
先进的中断向量控制器，可以支持多大32个中断，还具有通用定时器、RTC、看门狗等功能模块。
LPC2388的工作电压一般3.0V～3.6V，有空闲、睡眠、掉电和深度掉电等四个低功耗模式：
内部有4MHz的RC振荡器，可选择作为系统时钟，片内PLL可使系统时钟最高工作在72MHz；
封装为LQFP144。
以上这些特点使它非常适合工业控制等领域。
LPC2388管脚如图3-1所示：
图3-1LPC2388管脚图
如2.6系统总体方案所示，本系统要用到LPC2388的SPI、USB、Ethernet等模块。
其相应管脚简述如下：
SCK：
串行时钟口。
此端口作为串行通讯的时钟信号用来同步发送端和接收端的数据传输。
此时钟信号只可由主设备发送，从设备接收。
SSEL：
从设备选择端。
当SSEL端为低电平时，表明与其相连的相应设备被选中从而可参与数据的传输。
在数据传输之前SSEL必须为低电平并且通常在整个数据传输过程中都保持低电平。
如果在数据传输过程中SSEL变为高电平，则传送的数据就会出错。
MISO：
主入从出端口。
当设备为选中的从设备时，待传送的数据从此管脚输出。
相反，主设备从此引脚上读数据。
当从设备未被选中时，该引脚为高阻态。
MOSI：
主出从入端。
当设备为主设备时，待传送的数据从此端口输出；
选中的从设备从此管脚上读传送数据。
ENET_TX_EN:
数据发送允许信号
ENET_TXD[1:
0]：
发送数据
ENET_RXD[1:
0]:
接收数据
ENET_RX_ER：
接受出错信号
ENET_CRS：
载波侦听有效
ENET_REF_CLK:
参考时钟
ENET_MDO：
MIIM（媒体独立接口管理）时钟
ENET_MDIO：
MI数据输入输出
3.1.2控制器最小系统
控制器正常工作的必须构成最小系统。
由以上介绍可知此系统最小系统应包括电源电路、时钟电路、复位电路和JTAG调试电路。
（1）电源电路
电源模块为整个装置提供能量，由于是便携式设计，因此采用电池供电。
在本设计系统中，主控制器采用3.3V供电，AD转换器、液晶显示器等模块需要5V供电，若直接采用2～3节电池组供电，则一方面电池组输出的电压可能达不到所需要的5V电压，另一方面电池电压的降低是非线性的，直接使用会给系统带来非常大的非线性误差。
因此电源模块还需要DC-DC升压变换和稳压模块。
电源电路如图3-2所示。
本设计选用Sipex公司的SP6641A-5VDCDC升压调节器，其静态电流极低（10ｕA），电池转换效率高，宽电压输入范围（0.9V～4.5V），最低启动电压为0.9V，并具有0.33A感应电流限制模块，固定输出电压3.3V或5.0V。
1.3V输入时，IOUT可达90mA（SP6641A-3.3）；
2.6V输入时，IOUT可达500mA（SP6614B-3.3）。
本设计采用两种供电方式：
①利用市电经适配器后转化为4.5V直流电后接入SP6614A；
②直接利用电池供电。
并且本设计方案是平时由电池供电，接入市电后由市电供电，电池停止供电。
其硬件电路图如图3-2所示。
方式一：
市电经一个220V转4.5V电压适配器将其转化成4.5V直流电，为防止瞬时电压高于4.5V，所以直流电经二极管IN4148降压后送入SP6641A进一步供给系统。
IN4148为硅二极管，正向导通压降为0.7V。
方式二：
选用3节干电池供电。
3节干电池串联理论电
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