网络采集器放大板设计学士学位论文Word文档格式.docx
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网络数据采集器放大板设计
摘要
随着科学技术的飞速发展，数据采集及传输技术也日新月异。
伴随着网络技术的发展，数据采集器从以前的手持式、有线式，逐步向无线，网络数据采集器发展。
本研究提出一种新型的网络数据采集器，它主要是基于网络协议TCP/IP，并且利用以太网传输压力、气压等微弱信号的数据，从而达到无线、实时、快速的采集和传输数据。
本数据采集器由一个放大板和一个采集板以及数据存储器共同组成，放大板的主要功能是将前面传感器的信号进行放大，使用PGA207UA作为主要放大器，并使用双刀双掷继电器（REALY-DPDT）耦合输入信号，将数据进行转换采样后储存在SDRAM中，最后通过网络协议TCP/IP将数据发送到电脑上，供后续处理。
整个设计的主要思路是通过可控增益放大器PGA207UA对信号进行放大，并且在控制电路的作用下调节放大倍数。
关键词：
网络；
数据采集器；
放大设计
ThedesignofNetworkdataacquisitionamplificationboard
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,dataacquisitionandtransmissiontechnologyisalsochanging.Alongwiththedevelopmentofnetworktechnology,dataacquisitionfromakindofprevioushandheld,cabletype,stepbystepturnstothewireless,networkdatacollection.
Inthispaper,itprepossessedanewtypeofnetworkdataacquisition,itismainlybasedonInternetProtocolTCP/IP,andthroughEthernetcollectsandtransmitspressure,airpressureandotherweaksignaldata,wirelessly,real-time,fast.Thedataacquisitionincludesanamplificationboardandanacquisitionboardanddatamemory.Thefunctionofamplificationboardisthatamplifythesignalfromthesensor,andusePGA207UAandaREALY-DPDTcoupling,asthemainamplifier,dataconversionsamplingstoredinSDRAMandfinallythroughthenetworkprotocolTCP/IPtosenddatatoacomputerforfurtherprocessing.ThemainideaoftheentiredesignisbycontrolledamplifierPGA207UAonsignalamplification,andtheroleofthecontrolcircuittoadjustthemagnification.
Keywords：
network;
datacollection;
enlargedesign
1引言
1.1数据采集器背景和意义
数据采集器（BarcodeHandTerminal），又称盘点机、掌上电脑。
它是将条码扫描装置与数据终端一体化，带有电池可离线操作的终端电脑设备。
具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。
为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。
其具有一体性、机动性、体积小、重量轻、高性能，并适于手持等特点。
根据数据采集器的使用用途不同，大体上可分为两类：
本地储存式数据采集器和网络传输式数据采集器。
1）本地数据采集器
在线式数据采集器又可分为台式和连线式，它们大部分直接由交流电源供电，一般是非独立使用的，在采集器与计算机之间由电缆联接传输数据，不能脱机使用。
这种扫描器向计算机传输数据的方式一般有两种：
一种是键盘仿真；
另一种是通过通讯口向计算机传输数据。
对于前者无需单独供电，其动力由计算机内部引出；
后者则需单独供电。
因此，在线式数据采集器必须安装在固定的位置，并且需把条码符号拿到扫描器前阅读。
目前，一些物流企业在出入库管理中已开始使用。
由于在线式数据采集器在使用范围和用途上造成了一些限制，使其不能应用在需要脱机使用的场合，如库存盘点、大件物品的扫描等。
为了弥补在线式数据采集器的不足之处，便携式数据采集器应运而生。
2）网络传输式数据采集器
网络传输式数据采集器是为适应一些现场数据采集和扫描笨重物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。
识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到条码符号前扫描，因此，又称之为手持终端机、盘点机。
它由电池供电，与计算机之间的通讯并不和扫描同时进行，它有自己的内部储存器，可以存一定量的数据，并可在适当的时候将这些数据传输给计算机。
几乎所有的便携式数据采集器都有一定的编程能力，再配上应用程序便可成为功能很强的专用设备，从而可以满足不同场合的应用需要。
现代社会中的物流企业越来越发达，货物的管理如果还是按照以前的方式，会耗费大量的人力和物力，越来越多的物流企业已经将目光投向便携式数据采集器，国内已经有一些物流企业将便携式数据采集器用于仓库管理、运输管理以及物品的实时跟踪。
数据采集器受益于电子技术的发展而不断向小型化、微型化、智能化方向发展。
数据采集器，其性能、配置以及数据通信等各项技术指标大幅度提高，以全新的姿态走向商场，并开始向更深、更广的领域发展。
并且为了能达到快速传输及和网络链接方式的目的，数据采集器已经和网络联系紧密，因此发展网络数据采集器是当前十分热门的研究课题，具有很大的发展潜力，也具有十分重要的研究意义。
1.2网络数据采集器的现状
网络数据采集器通过TCP/IP协议采集数据，包括震动压力数据、气象站数据等。
这些数据通过内置的网络通讯模块传输到因特网上，然后通过登录监控平台就可以方便的浏览数据和运行状况。
网络数据采集器能用于测量铁路轨道的压力变化，及时发现安全隐患；
还可以测量高架塔，测试各个地桩的受力变化，看输电线有没有便宜等，它具有下面的几个特点。
1）简单快速，可以快速地实施，成本较低。
2）采用以太网络结构，速度快捷，维护简单。
3）数据采集装置提供良好的人机界面，支持键盘输入和串口输入。
4）系统的数据可以选用SQLServer,Oracle等方式存储，接口设定简单快捷。
5）数据采集装置提供条码采集功能，实时掌握扫描状况及设备运作状况。
6）数据采集装置还提供大容量存储功能。
在现代工业网自动化测控系统中，压力的检测占有很大的比重。
自动化程度越高需要检测的压力就越多，因此设备及控制系统的性能在很大程度上依赖于压力的检测。
然而传统的压力检测技术存在着以下几个方面的不足：
（1）结构尺寸大，响应特性较差；
（2）输入输出特性存在非线性误差；
（3）参数易受环境条件变化影响而漂移；
（4）信噪比低，抗干扰能力差；
（5）灵敏度和分辨率不高。
随着社会的发展，技术的进步，对压力传感检测技术提出了更高的要求。
集信号采集、信号处理和数字通信功能于一体的压力检测仪器成为迫切需要。
这种压力检测仪器既有获得信息的功能，又具有强大的信息处理能力，主要通过微处理器的软件程序来实现其功能。
也就是说，压力检测仪是硬件电路和软件程序结合的产物。
网络数据采集器通过传感器将外界的气压信号转换为模拟信号，然后经过适当的放大后，进行A/D采样，最后将数据存储到预先安好的SDRAM中，然后再利用通信协议TCP/IP将数据传送给电脑，由电脑显示。
而且网络数据采集器的触发方式也可以多种多样，可以下降沿触发，也还可以安装光线出发，速度快，存储量大，携带方便，串口可和计算机直接相连，能实时传送数据。
在国外，例如美国，早在2009年初就已经大规模应用网络型数据采集器，它们广泛应用在大型物流和气象站等这些需要实时监测数据的地方，在国内，由于技术等因素的限制，网络数据采集器的应用还不是很多，现在我们主要是想将它用在气象站的自动化监控中，这样，可以大量节约人力，并且也能将数据实时传送到网上，而不需要浪费大量的人力进行监测。
所以网络数据采集器的应用还是很广泛的，特别是在信息化时代自动化的发展更是迅猛，这极大地解放了劳动力，网络数据采集器的发展前景很好，如果能在这方面加大研究力度，将产生巨大地经济利益。
1.3本课题研究的意义
随着科学技术的飞速发展，现在我们居住的地球的气候条件也在改变，大量化石燃料的焚烧，使得温室气体大量排放，造成严重的温室效应，以及拉尼娜现象，我们人类也面临这极端天气的影响。
不仅全球各地的极端事件明显增多，而且分布范围很广，包括东南亚地区的强降雨、6月份海湾地区发生的前所未有的强热带风暴和中国南部地区发生的强降雨及洪水、5至7月在英国发生的洪水、东南欧和俄罗斯的热浪、南非和南美一些地区非同寻常的降雪等，我国最近三年的云南大旱都是典型例子，全球因为极端天气造成的经济和人力损失巨大，很多不明真相的人们甚至以为“地球末日”的降临，引起全世界恐慌，气象已经和我们的日常生活息息相关，并对我们的生活工作产生巨大影响，我国在今年提出的十二五规划明确提出，要大力发展气象事业，为人民更好地服务，在此背景下，国家气象局决定未来几年增加几万个自动气象观测站，完善气象数据。
而气象观测站中的数据采集是一个重大问题，气象站数据需要实时监测并上传网络，气压，空气适度等信息更是重点监测的对象，为了更好地进行监测，并节约人力资源，网络数据采集器应运而生，网络技术高速发展，让我们的生活日新月异，而数据采集的应用深入到我们日常生活的各个层次，如何把两者有机的结合并且发挥出更大的效力是当今我们面临的一个主要问题。
如本课题就将数据采集器和网络联系在一起，将前端的传感器采集到的数据信息通过放大并最终进行采样，然后将采集到的数据存储到SDRAM中，以FIFO方式从SDRAM中读出数据，并将数据结果通过以太网接口传输到计算机。
该系统具有电路简单、功耗低、数据传输方便等优点，如果更换传感器类型，可用于湿度、温度、风速等参量的数据采集中。
这样的数据采集器很适合气象自动站的数据采集而不需要大量人员，并且它的软件界面很简洁，维护也很简单，不需要具有专业知识就行，这对于我国提出的十二五规划中之处的要大力发展气象事业具有重大的推进意义，能够有效的满足我国未来几年的自动气象监测站的建设要求。
因此本课题的研究内容符合当今社会对于网络及数据采集的应用的要求，具有很大的发展潜力。
1.4本文的主要任务及结构
本论文所完成的任务是对网络数据采集器放大板的设计方法进行研究，利用PGA207UA（可控增益特殊放大器）对传感器的信号进行放大，并在此基础上传送到后端的数据处理部分，通过FPGA进行处理并将结果存储到SDRAM中，最终由通过网络协议TCP/IP传输到网络中，本论文在总体结构上共分为4章。
第1章引言，本章介绍了数据采集器的基础知识及其发展。
第2章网络数据采集器总体设计，本章介绍了采集板的总体设计方案的论证，流程和结构。
第3章网络采集器放大板各模块的原理，本章简要介绍了网络采集器放大板设计的基本思路。
并得出原理图及PCB图。
第4章数据结果及调试，本章主要是通过对放大板输入一个模拟的压力信号，来测试放大板的放大倍数，并与设计要求进行比较，总结其优点，并与采集板连接作综合测试，测试放大板能否符合要求。
第5章结论，对全文进行总结，并对该课题的前景进行展望。
2网络数据采集器放大板总体设计
2.1网络数据采集器总体设计框图
图2-1网络数据采集器总体设计框图
网络数据采集器总体设计框图如图2-1所示，信号先由传感器采集，然后通过网络数据采集器的放大板和采集板将数据准换后由工控机传输到交换机，最后由远程操作端来控制采集器工作以及显示采集器的波形。
2.2网络数据采集器放大板设计框图
图2-2网络数据采集器放大板框图
网络数据采集器放大板的工作流程为：
电源48V通过小型变压器变压，产生24V的电压，然后供给LM234组成的零温度系数电流源使其产生3mA的恒定电流让ICP（内置压电传感器）工作，当有压力或者气压的变化时，传感器能将它们变成模拟信号；
经变压后的电源通过power28模块，产生一个高电平信号（SDATA）和一个CLK信号，这两个信号分别连到控制模块的74HC164上，让其产生并行输出的信号，并将此信号连接到放大器和双刀双掷继电器（EALY-DPDT）的控制端上；
当信号为高电平时，让继电器打开开关，通过电容耦合输出的模拟信号，将其传到放大器PGA207UA上，从而完成整个放大过程。
网络数据采集器放大板主要设计思路如下：
1）前端传感器提供恒流源；
2）提供电压转换模块（DC48V-DC24V）和电压源，以对ICP（内置压电传感器）和后端电路提供电压；
3）使用PGA207UA对传感器输出信号进行放大；
4）power28和直流转换电路。
2.3放大板设计方案选择
本次毕业设计,围绕设计思想,提出了两套不同的设计方案,各有各自的优点。
2.3.1方案一
主要放大部分需要采用一般的三极管例如8050进行放大,并且不加控制电路控制信号的输入及控制放大倍数。
此方案不用一些特殊的放大器就能完成设计，并且成本较低，不过也存在不足，放大要依据信号的频率，如果信号频率较小，则不能进行放大。
2.3.1方案二
采用串行输入并行输出的8位74HC164芯片用作控制电路，通过其产生的并行数据决定继电器的导通、采集数据的输入及放大器的放大倍数，采用PGA207UA作为放大器。
此方案在于放大倍数可控，有过电压保护，能承受较大的电压，可达到+40V，并且其输出信号较好，不会失真。
但是电路也相对复杂，成本较高。
2.3.3方案论证
网络数据采集器的采集信号频率不大，因为是采集气压等一些缓慢变化的压力变化的信号，其频率一般在100-200KHZ左右，而9013或8050的特征频率大概在30-40MHZ左右，频率过高，与实际信号的频率不符，而PGA207UA的最佳频率就在100KHZ，并且它的放大倍数不会随着频率的变化产生较大的波动；
另外，由于没有双刀双掷继电器做开关，采集到的信号连同干扰信号都会被进行放大，影响后面的数据处理；
采用PGA207UA作为放大器还有个好处是它能根据实际需要进行放大倍数的调整，只需要改变控制管脚A0，A1的高低电平就行。
综上所述，可见方案二比方案一优越，因为方案二更能满足实际需要，工作频率与实际信号频率相差不大，放大倍数也可适当调整，不是固定值，还有继电器做开关控制信号的输入；
以及控制电路，能更好的控制继电器和放大器，有效减少因频率变化或者其他原因产生的干扰。
PGA207UA和74HC164的价格也比较便宜，经济上也很合适，所以，我决定选择方案二做为网络数据采集器放大板的设计方案。
3各单元模块设计
3.1直流电源模块
直流电压转换模块DC48V-DC24V可以直接使用ANSJ公司的电压转换模块，在电源两端并接电容可减少电源的波动性也有滤波的作用，当电源电压出现波动时，电容可以充放电，从而保护电源，使电源稳定，并能有效消除电源纹波。
外部电路的原件连接如图3-1。
图3-1直流电压转换模块
3.2恒流源模块设计
前端恒流源的设计，采用LM234运放来完成，LM234是三端可调恒流源器件，如果加上一个稳压二极管钳位可以调高速度，并且构成一个零温度系数的恒流源，即不会因为温度的变化干扰其电路参数，原理图如图3-2所示。
图3-2恒流源设计原理图
其中R2=10*R3，从而可产生约为3mA恒定电流，并将其送到ICP传感器，为其提供稳定的电流，以便能将气压信号转换成模拟的电信号，通过电容C1耦合到放大器的输入端，供后续的数据处理。
3.3放大模块部分
放大部分的原理图如下图3-3。
图3-3放大器原理图
使用可控增益放大器PGA207UA来进行放大，没使用其他三极管或者运放是因为压力变化很缓慢，其频率相对较小是低频信号，而8050是一个高频元件，并不合适此设计要求，用PGA207UA它的A0，A1两管脚是放大倍数的数根据选择端，其增益和各管脚点评关系如表3-1。
表3-1增益和管脚电平
输出信号V0的值可根据公式2-1算出，
（2-1）
A0，A1的信号来自74HC164的并行输出的数据，所以还需进行设计选择端的信号控制部分，使用芯片74HC164（8位下降沿触发的移位寄存器），它的数据来自SDATA信号，其输出信号分别送到8个PGA207UA的A0，A1从而达到控制放大倍数的目的。
当A0，A1的数据改变时,放大倍数也相应改变,改变时间大约500ns。
根据其元件资料要求，12管脚（SEN）和11管脚（OUT）必须连在一起，这样能保证电路正常工作，并且达到最佳的输出精度，根据其元件资料要求。
电压V+比V-至少要大4V,否则放大器不会工作，而且它的两个电压输入端有+40V~-40V的过电压保护，即电压在此范围类都能工作。
6、7管脚连接滑动变阻器是为了构成偏置电压调整电路，它的作用是纠正放大器的输入端的电压偏移，让其更精确，一般的电路可以不加此电路，不过在数据采集系统中要求要纠正偏移的输入输出电压。
3.4Power28电源模块
power28模块设计如图3-4所示。
图3-4power28电源模块原理图
其中13管脚产生的SDATA信号用在控制电路中，为数据端的输入信号。
PGA207UA的放大倍数，以及双刀双掷继电器的导通，都由控制电路进行控制。
14脚产生的振荡信号可以为74HC164提供时钟信号。
25管脚的+5V电压信号，能给后面的控制电路的74HC164供电，使其正常工作。
17-18,21-22,四脚之间加了一个稳压滤波的电路，采用两对并联的极性和非极性电容进行滤波和稳压，具体设计如图3-5。
图3-5稳压滤波电路
3.5数据控制模块
如图3-6。
图3-6控制电路
三个74HC164芯片组成的同步时序逻辑电路充当控制器,74HC164芯片是8位移位寄存器,其输入信号是A,B两管脚的与,如图8,它的值即为SDATA,最右边的芯片的输出信号控制8个双刀双掷继电器，后面两片的输出信号则是用于选择8个放大器的放大倍数，5V电压由电源芯片的25管脚提供。
3.6网络数据采集器放大设计原理图
放大板原理图如图3-7。
图3-7完整原理图
3.7网络数据采集器放大板PCB
根据上述原理图，将PCB设置为双层的，如图3-8。
图3-8完整PCB
4测试及调试
4.1放大板测试结果及波形
输入一个模拟信号为Vpp=2v,100kHz的模拟信号，经过每个通道的单独测试，各通道的结果如表4-1所示。
表4-1各通道电压输出
通道
电压
1
2
3
4
5
6
7
8
2v
2.16v
2.02v
2.10v
2.08v
2.03v
2.08v
2.12v
100
kHz
100.2
100.3
100．3
101
102
由表4-1可知，其输出端的理论值V0由公式2-1可算出应为2v，各个通道的数值基本一致，说明放大板能正常工作，截取通道1和通道4的波形图，分别如图4-1，图4-2所示。
图4-1一通道放大后图像
除了测量一个通道的图形外,还另测了一个通道的放大图形,如图4-2。
图4-2四通道放大图形
由两个通道的图形对比可知,两个通道的放大倍数基本一致,以理论值相比,
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