基于单片机数据采集与数据处理系统论文Word格式.docx
《基于单片机数据采集与数据处理系统论文Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机数据采集与数据处理系统论文Word格式.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
1.2数据采集系统概述
1.2.1数据采集的意义
“数据采集”就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。
控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。
用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）。
随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。
然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。
要将这些进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。
它是计算机信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。
数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径。
数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。
数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，跟据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
与此同时，将计算得到的数据进性显示或打印，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中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
1.2.2数据采集系统的特点与功能
1.数据采集系统的特点
数据采集系统具有如下这些特点：
1．现代数据采集系统一般都由计算控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。
2．软件在数据采集系统中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。
3．数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集处理到控制的全部工作。
4．数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要，对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。
5．随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。
6．总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术标准对数据采集系统结构的发展起着重要作用。
2.数据采集系统的功能
数据采集系统的基本功能主要如下：
1．数据采集
计算机按照预先选定的采样周期,对输入到系统的模拟信号进行采样,有时还要对数字信号,开关信号进行采样.数字信号和开关信号不受采样周期的限制,当这些信号到来时,由相应的程序负责处理.
2．模拟信号处理
模拟信号是指随时间连续变化的信号,这些信号在规定的一段连续时间内,其幅值为连续值,即从一个量变到下一个量时中间没有间断.模拟信号有两种类型:
一种是由各种传感器获得的低电平信号;
另一种是由仪器,变送器输出的电流信号.这些模拟信号经过采样和A/D（模/数）转换输入计算机后,常常要进行数据正确性判断,标度变换,线性化等处理.
模拟信号非常便于传送,但它对于干扰信号很敏感,容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变.因此,有时还要对模拟信号做零漂修正,数字滤波等处理.
数字信号处理数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号.在二进制系统中,数字信号是由有限字长的数字组成,其中每位数字不是0就是1这可由脉冲的有无来体现.数字信号的特点是,它只代表某个瞬时的量值,是不连续的信号.
数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出,它在线路上的传送形式有两种:
一种是并行方式传送;
另一种是串行方式传送.数字信号对传送线路上的不完善性不敏感,这是因为只需检测脉冲的有无来获取信息,至于信号的精确性是无关紧要的.数字信号输入计算机后,常常需要进行码制转换的处理,如BCD码转换成ASCII码,以便显示数字信号。
3．开关信号处理
开关信号主要来自各种开关器件,如按钮开关,行程开关和继电器触点等.开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。
4．二次数据计算
把直接由传感器采集到的数据成为一次数据,把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据成为二次数据.二次数据计算主要有平均,累计,变化率,差值,最大值和最小值等。
5．屏幕显示
CRT显示装置可把各种数据以方便操作者观察的方式显示出来,屏幕上显示的内容一般称为画面.常见的画面有相关画面,趋势图,模拟图,一览表等。
6.数据存储
数据存储就是按照一定的时间间隔,定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。
1.2.3数据采集系统的性能指标
对数据采集系统的性能要求和具体的应用目的和应用环境有密切关系，对应不同的情况往往有不同的要求。
下面给出的是比较主要和常用的指标的含义。
1．系统分辨率：
是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。
通常用最低有效位值占系统满度信号的百分比表示，也可以用系统可分辨的实际电压数值来表示。
有时也可以用满度信号可以分的级数来表示。
我们在衡量一个数据采集系统的分辨率高低时，通常看其位数，比如8位，12位，16位等，其位数越大，分辨率就越高。
2．系统精度：
是指当系统工作在额定的采集速率下，每个离散子样的转换精度。
模数转换器的精度是系统精度的极限值。
实际的情况是，系统的精度往往达不到模数转换器的精度，这是因为系统精度取决于系统的各个环节的精度，如前置放大器，滤波器，模拟多路开关等等，只有这些部件的精度都明显优于A/D转换器精度时，系统精度才能达到A/D的精度。
系统的精度与分辨率是两个不同的概念。
系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和。
通常表示为满度值的百分数。
3．采集速率：
又称为系统通过速率，吞吐率等，是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。
这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。
在时域上，与采样速率对应的指标是采样周期，它是采样速率的倒数，它表征了系统每采集一个有效数据所需要的时间。
4．动态范围：
是指某个物理量的变化范围。
信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。
数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值
与最小幅值
之比的分贝数，即
（2—1）
式中最大允许输入幅值
是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。
最小允许输入幅值
一般用等效噪声电平
来代替。
对于大动态范围信号的高精度采集时，还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。
所谓瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值
与幅度最小频率分量的幅值
之比的分贝数。
若用I表示瞬时动态范围，则有
（2—2）
5．非线性失真：
也称为谐波失真。
当给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。
通常用谐波失真系数H来衡量系统产生非线性失真的程度，用下式表示
（2—3）
式中，
——基波振幅；
——第k次谐波（频率为kf）的振幅。
一般来说，一个数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。
精度的提高则意味着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即能容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力的提高。
而采集速度的加快，不禁节省了时间，而且还意味着对被测量快速变化的响应和处理能力的提高，能够实时处理。
但两者又是矛盾的，所以在实际设计数据采集系统时，要在保证精度的前提下，尽可能地提高采样速度，应满足实时采集.实时处理和实时控制对速度的要求。
1.2.4实现数据采集的方案
实现数据采集主要有两种方案，一种是采用ISA或PCI接口的A/D转换卡，另一种是采用智能传感器。
两种实现方案各有所长，智能传感器具有高精度，自适应，可靠稳定，可维护和可扩展等优点，而且传输的距离也比较远，能够实现远程的数据采集任务，但是智能传感器其使用串口接收数据，实时性比较差，相反利用A/D转换卡，就能够实现近距离的数据采集，其实时性较好。
本设计中，我就采用的是A/D转换接口实现的数据采集。
数据采集系统中采用计算机作为处理机。
众所周知，计算机内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，而被采集的各种物理量一般都是连续模拟信号，因次，在数据采集系统中同时存在两种不同形式的信号：
离散数字信号和连续模拟信号。
在研究开发数据采集系统时，首先遇到的问题是：
传感器所测量到的连续模拟信号怎样转换成离散的数字信号？
连续的模拟信号转换成离散的数字信号，经历了两个断续过程：
1、时间断续
对连续的模拟信号，按一定的时间间隔，抽取相应的瞬时值（也就是通常所说的离散化），这个过程称为采样。
连续的模拟信号经采样过程后转换为时间上离散的模拟信号（即幅值仍是连续的模拟信号），简称为采样信号。
2、数值断续
把采样信号以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化。
采样信号经量化后变换为量化信号，再经过编码，转换为离散的数字信号（即时间和幅值是离散的信号），简称为数字信号。
对连续的模拟信号离散时，是否可以随意对模拟信号做离散化处理呢？
实践证明，在对连续的模拟信号做离散化处理时，必须遵守一个原则，而如果随意进行，将会产生如下一些问题：
（1）使采样的点增加，导致占用大量的计算机内存单元，严重时将因内存量不够而无法工作。
（2）也可能是采样太少，使采样点之间相距太远，引起原始数据值的失真，复原时不能原样复现出原来连续变化的模拟量，从而造成误差。
为了避免产生上述问题，在对模拟量信号离散化时，必须以据采样定理规定的原则进行。
1.2.5数据采集系统的构成
由于计算机以电子器件为核心，以电子器件的状态（高电平或低电平）来表示二进制数（１或0），所以计算机加工处理的是数字量。
而温度传感器测量到的是连续模拟信号，为能利用计算机技术处理来自传感器的连续模拟信号，必须首先将连续模拟信号转换成离散的数字信号。
完成这项任务的接口电路称为数据采集系统。
数据采集系统一般由以下几个部分组成：
（1）多路开关
多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
（2）放大器
放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内，通常在实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可以根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。
（3）采样保持器
（4）采样保持器取出待测信号在某一瞬时的值，即实现信号的时间离散化，并在A/D转换过程中保持信号不变。
如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样保持器。
A/D转换器
A/D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。
随着电子技术的发展，A/D转换器的精度和速度逐渐得到提高。
以上的四个部分是组成数据采集系统的主要部分，其他相关的电路要根据实际情况选择。
数据采集系统的组成框图如图1-1所示。
后面的章节将对各部分作用及芯片选用作详细说明。
图
1-1数据采集系统框图
在设计PC机数据采集系统时，因为要使用计算机，各个模块之间要进行信息的交换，数据的传送等。
无论信息传送的方式如何，都必须遵循着某种原则，这就导致了总线的诞生，下面一章将对总线技术进行详细的介绍。
1.3PC机数据采集系统设计
1.3.1设计目标
本设计主要是设计一个PC仪器数据采集系统，实现对多路输入信号的测量与控制，记录并显示测量波形。
设计数据采集PC仪器，应包括硬件与软件设计两大部分：
硬件设计主要是将传感器输出的模拟量转换为微机可接受的数字量。
并通过系统总线传递给微机。
采集卡：
其功能是将输入的多路模拟信号转换为微机可接受的数字量（模/数转换），并通过系统总线传递给微机。
总线结构使微机系统各功能部件间的相互关系成为面向总线的单一关系，只要PC插卡符合总线规范，就能扩展微机系统功能。
8路模拟信号通道都有采样/保持电路，以确保分时使用A/D转换器的各通道信号的同步采集。
PC仪器的开发属于高档微机的扩展技术，是系统级接口技术，因而它必须是一种软硬结合的技术，还应遵守微机系统设计时给出的关于系统资源标准的约定及关于系统总线标准的约定，所以问题远比芯片级接口复杂。
本设计将遵照图1-2所示流程图进行，各部分具体设计将在后续章节详细介绍。
用PC仪器组建的自动测试系统，可以去掉一些不必要的硬件，充分利用PC机的软硬件资源。
这样，不同功能的仪器仅体现为测量模块及软件的不同，仪器不再以传统的独立姿态出现，极大的提高了仪器的效益。
一台计算机，只要配备相应的测量模块或扩展机箱，就可立即成为存储示波器、逻辑分析仪、函数发生器或GPIB仪器控制器等。
因此PC仪器的开发是当代仪器技术的又一重大进步。
1.3.2、PC仪器结构
实际应用中的PC仪器有些是功能确定的，由PC机、功能仪器卡及相应软件组成，可独立完成各种确定的测试任务。
此外，还有一种仪器功能可由用户编程设定的PC仪器。
在这种PC仪器中，除了拥有仪器功能卡之外，还拥有LabWindows/CVI等仪器功能图形编辑软件和丰富的通用仪器功能和数据处理的软件库，允许用户对仪器功能重新编程。
这类仪器既可用作一般的测试测控设备，还可通过GPIB、VXI等接口与其他测控仪器设备一起组建成自动测试系统。
PC仪器结构如图1-1所示。
图1-1PC仪器结构简图
1.3.3PC仪器特点
由于PC机具有强大的数据处理能力，丰富的软硬件资源，因此能测试或推演出一般传统仪器无法得出的结果，且能用传统仪器无法表达的形式把测试结果以最鲜明的内涵表达出来。
所以近来在高准确度、高性能、多功能的检测系统中，已很少有不采用个人计算机技术的了。
而鉴于个人仪器的特点：
（1）成本低。
只需将功能卡插入个人计算机机箱中，即可构成个人仪器，和具有GPIB接口总线的智能仪器相比，价格可降低1/3~1/10。
（2）使用方便。
个人仪器中已写入操作软件，用户根据清单进行选择，一般无需编制程序就可完成各种测试任务，操作十分简便。
（3）制造简单。
仪器制造商只需生产各种功能卡，再配以通用计算机即可构成一台个人仪器。
所以个人仪器将是我国仪器仪表发展的一个新技术生长点，“把实验室装进电脑”将是用户与厂商供追求的目标，对PC仪器的研制极具现实意义。
本论文共有7章。
第1章是绪论，第2章是介绍总线标准，这是本课题设计的基础和依据；
第3、4章是对本设计中的主要芯片的详细的介绍；
第5章是对整个电路的详细分析；
第6章是对相应的软件CVI进行介绍；
最后一章就本设计所能达到的性能指标作了分析。
PC仪器设计及调试流程图：
2总线
2.1总线技术
在进行虚拟仪器设计时，首先会遇到总线问题。
总线是计算机内信号公用、汇聚、交换的总枢纽，是传送通道的系统网络，是虚拟仪器硬件结构的基础。
按什么样的标准和规范设定总线，将对整个系统在结构上的先进性、可靠性、兼容性、互换标准性及产品的生命力等方面起到关键性作用。
2.1.1总线概述
计算机系统中，用总线来扩展除系统核心部分以外的功能部件。
微机系统中有各式各样的总线，可以从不同角度进行分类。
若按层次结构分，则可分为：
CPU总线包括地址线（CAB）、数据线（CDB）和控制线（CCB），用于连接CPU和控制芯片。
存储总线包括地址线（MAB）、数据线（MDB）和控制线（MCB），用于连接存储控制器和DRAM。
系统总线也称I/O通道总线，包括地址线（SAB）、数据线（SDB）和控制线（SCB），用于与扩充插槽上的各功能卡相连。
外部总线用于连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。
包括地址线（XAB）、数据线（XDB）和控制线（XCB）。
我们设计时直接面对的总线是系统总线。
IBMPC的中央处理器Intel8088系列CPU，它是整个微机系统的核心。
8088的管脚被称为局部总线，局部总线经总线控制器译码和锁存器锁存后，形成系统的地址总线和数据总线，8088的状态位经译码产生控制信号
、
等，再加上定时器产生的时钟信号、复位信号和等待信号，一起构成系统总线的主要部分。
这些系统总线信号一方面连接到主板的其他部分，另一方面经重新驱动后，连接到扩展槽中供扩展板使用。
总线结构使系统各功能部件之间的相互关系成为面向总线的单一关系，只要将符合总线规范的功能部件接到系统总线上，系统功能就能得到扩展。
2.1.2总线发展
系统总线有多种标准，以适用于不同需求。
由于以IBMPC系列为代表的个人计算机（PC机）占微机应用的主流，个人仪器也多采用PC系统总线，因此本设计将采用PC系列总线。
本节首先简介PC总线发展脉络。
ISA最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机的PC/XT总线，称为PC总线。
1984年IBM推出16位机的PC/AT，称为AT总线。
然而IBM公司从未公布过其总线规范。
为能合理的开发外插接口卡，Intel等几家公司联合开发了与IBM/AT原装机意义相近的ISA总线，即8/16位的“工业标准结构”（IndustryStandardArchitecture）总线。
EISAISA总线对于286及386SX等微机系统而言很方便，但对于386DX以上具有32位地址和数据宽度的微机系统则因宽度不够而影响微处理器性能的发挥。
为此IBM推出专为其32位PS/2系统开发的微通道总线结构。
由于IBM对MCA技术采用严格的许可证制度，其他厂商不能采用，而且MCA与PC/XT/AT不兼容，影响了其应用，所以Compaq等九家公司联合在1988年推出为32位微机设计的“扩展工业标准结构”（ExtendedIndustryStandardArchitecture），即EISA总线。
EISA采用双层插槽结构，与ISA有良好的兼容性，又充分发挥和利用了32位微处理器的功能，所以得到了广泛应用。
局部总线在以Windows为代表的图形用户接口进入PC机以后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力，原有的ISA、EISA已远不能满足新需求对总线数据传输速度的挑战，从而促使总线技术进一步发展。
局部总线是PC体系结构的重大突破，它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。
从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或称管理层。
这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下，并通过局部总线直接挂接到CPU总线上，这样高速CPU总线数据传输速度即可与之匹配。
局部总线可分为三种：
专用局部总线这是一些大公司为自己的系统开发的专用总线，是非标准的，不能通用，也不被广大兼容机采用。
VL总线（VESALocalBus）通用总线，但只是一种过渡标准，目前已淘汰。
PCI总线（PeripheralComponentInterconnect）PCI是一种先进的局部总线，不依附于某个具体的处理器，目前已成为局部总线新标准。
就本设计目标而言，ISA总线即可满足要求。
在PC系列总线中，PC/XT总线与PC/AT总线有一定的差异。
PC/XT总线由于数据传输位数少，其扩展槽是一种8位总线标准，速度太慢，已较少为现代数据采集系统采用。
而PC/AT总线扩展槽是一种16位总线标准，数据传输位数多，速度快。
AT总线前62引脚（A1-A31，B1-B31）信号分布与功能含义基本上与XT总线相同，仅作了两处改动：
一是原B19脚作为0通道的DMA应答线-DACK0，现因AT机的RAM刷不再通过伪DMA传输来完成，而是直接用系统板上RAM刷新电路产生的-REFRESH信号来替代，也可以由I/O扩展板上的其他微处理器驱动刷新信号；
另一处是PC/AT机上J8槽的B8引脚，原是板选中信号-CARDSLCTD，现在各个槽中B8处均引入一个“OWS”（零等待状态）信号，它表示扩展槽中的设备无需处理器插入任何附加等待状态，即可完成当前总线周期。
AT总线的后36引脚设置了8位数据线（高字节SD8-SD15），高7位地址线（LA17-LA23）及控制存储器和I/O设备的读写命令线，并有中断、DMA控制线、电源和地线等。
现代个人计算机，从386到Pentium机，都有AT插槽；
所以本设计选用PC/AT总线，使其可用于PC386以上机型，不会在短期内被淘汰。
下一节将阐述PC/AT总线操作的一些具体问题。
2.2IBMPC/AT总线操作
PC/AT的诞生标志着新一代Intel80286微处理器应用的开始，按80286微处理器的16位总线要求，PC/AT将PC/XT的数据总线扩展到16位，存储器地址扩展到24位。
AT总线的扩展槽保留了为PC/XT系统设计的扩展卡的向下兼容性，在XT原有的62脚信号线的基础上，新增36脚信号线，以支持8位或16位扩展卡。
其信号引脚排列在插槽
升级会员 