高速数据采集系统正文.docx

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高速数据采集系统正文

大学

毕业论文（设计）

物信学院2008级通信工程专业

题目高速数据采集系统

学生xx学号2008073021xx

指导教师xxx

年月日

摘要

本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。

本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。

数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机AT89S52来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，显示模块，和串行接口部分。

本课题设计一个高速数据采集系统,核心部分为8051单片机AT89C52、模数转换器采用MAX1177、人机接口由键盘、LED显示器构成。

模数转换器MAX1177采样速率为135Ksps，采样精度为16位，并将采集到的数据暂时存储到外部数据存储器里，而后通过RS-232串行通信口将采集到的数据传送给上位机进行一定的处理。

整个系统通过人机接口构成了数据的采集、存储、通信为一体的数据采集系统。

关键词:

数据采集AT89C52单片机MAX232

Abstract

Thisarticledescribesthehardwaredesignandsoftwaredesignofthedataonwhichbasedonsignal-chipmicrocomputer.Thedatacollectionsystemisthelinkbetweenthedigitaldomainandanalogdomain.Ithasanveryimportantfunction.Theintroductivepointofthistextisadatatocollectthesystem.Thehardwareofthesystemfocusesonsignal-chipmicrocomputer.Datacollectionandcommunicationcontrolusemodulardesign.Thedatacollectedtocontrolwithcorrespondencetoadoptamachine8051tocarryout.Thepartofhardware’scoreisAT89S52,isalsoincludesA/Dconversionmodule,displaymodule,andtheserialinterface.Ahigh-speeddatasamplingwithAT89C52asitscorepartisdesigned.ThesystemhasafriendlyPersons-MachineinterfaceconsistofasetofbottomsandLED,whichtakesADCMAX1177astheAnalog-Digitalconverter.Thesamplingrateandaccuracyofsystemare100Kspsand16-bitrespectively.ThesampleddataisstoriedtoextendRAMtemporarily,andthenistransmittedtoPCusingRS-232serialcommunication.Infactthewholesystemismadeupofthedatasampling,storaging,thecommunicationbypassPersons-Machineinterfaceasasystem.

Keyword:

dataacquisition;AT89S52;microcontroller;MAX232

目录

摘要...............................................................................................................................1

Abstract.........................................................................................................................2

目录...............................................................................................................................3

第一章前言.................................................................................................................1

1.1概述.............................................................................................................1

1.1.1研究背景及其目的意义.................................................................1

1.1.2国内外研究现状.............................................................................2

1.2课题及主要任务.........................................................................................3

第二章系统结构.........................................................................................................4

2.1滤波放大...................................................................................................4

2.2A/D转换和.D/A转换................................................................................6

2.3键盘显示...................................................................................................7

2.4RS-232串行通信......................................................................................8

2.5外扩存储器的扩展...................................................................................8

2.6系统结构框图.............................................................................................8

第三章硬件设计.........................................................................................................9

3.1微处理器.....................................................................................................9

3.1.1MCS-51的结构图............................................................................9

3.1.2MCS-51单片微机内部的功能部件...............................................10

3.1.3AT89C52单片机简介.....................................................................10

3.2滤波放大电路............................................................................................11

3.3A/D转换......................................................................................................12

3.4D/A转换.....................................................................................................15

3.5外部存储器的扩展.....................................................................................16

3.6键盘、显示监控.........................................................................................17

3.6.1键盘部分...................................................................................17

3.6.2显示部分...................................................................................18

3.7串行通信...................................................................................................19

3.7.1串行口结构...............................................................................19

3.7.2串行口的工作原理...................................................................20

3.7.3波特率的设定...........................................................................20

3.8复位电路...................................................................................................21

第四章软件设计......................................................................................................22

总结............................................................................................................................24

致谢............................................................................................................................25

参考文献.....................................................................................................................26

附录一.........................................................................................................................27

附录二.........................................................................................................................28

第一章前言

1.1概述

随着工业自动化的不断提高,计算机业的发展也日益迅速，作为其中重要组成部分的单片机，以其独特的结构和优点，越来越深受各个领域的关注和重视，应用十分广泛，发展极快。

单片机也就是把组成计算机的五大部件集成在一块芯片上，即在一块芯片上集成了：

CPU、振荡器电路、ROM和RAM存储器、定时/计数器和并行/串行I/O接口等，一块芯片就构成一台具有一定功能的计算机，称为单片微型计算机。

由于单片机就是一台计算机，因此它具有很多独特优点，即体积小、重量轻、单一电源、低功耗。

功能强、价格廉，运算速度快、抗干扰能力强、可靠性高等。

所以单片机特别适用于实时测控系统，应用领域越来越广，已成为传统工业技术改造，各类产品更新换代，实现自动化、智能化的理想机型。

在国内，尽管开发与应用单片微机的时间不长，但在MCS-48系列单片微机的基础上，很快就已开发和应用功能更强、更完善的8位高档MCS-51系列单片微机，且成效显著。

目前已广泛而成功地应用于自动测控、智能仪表、各类设备、军事装置以及家用电器、社会用品等各个方面，大大促进了我国四个现代化的进程[1]。

1.1.1研究背景及其目的意义

近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。

由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。

大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。

由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。

从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。

该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。

这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。

第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。

20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。

由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。

数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。

该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。

相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。

这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。

1.1.2国内外研究现状

数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。

它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。

各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。

我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。

近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。

该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。

该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。

由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：

（1）传感器：

利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；

（2）计算机接口：

将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：

中文及英文的应用软件。

受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。

如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。

本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。

1.2课题及主要任务

本课题的主要任务是设计一个高速数据采集系统，采集的频率范围为0～50K、幅值范围为0.2mV～0.1V的模拟信号进行0.25s高速采集，并通过单片机将采集到数据暂时存储到外部数据存储器里，采集完成后再通过RS-232将数据传送给上位机，系统还要实现人机接口和数模转换的辅助功能。

第二章系统结构

根据上面的要求，系统主要有滤波放大、A/D转换、键盘显示、RS-232串行通信、D/A转换、外部数据存储器的扩展6个部分构成。

2.1滤波放大

信号处理电路是把来自传感器的微弱电压信号经过信号处理电路变成标准的电压信号。

一般而言，传感器输出的信号不能直接转换为数字信号，因为传感器输出的是相当小的电压或电流信号。

因此，在进行A/D信号转换之前，必须通过信号处理电路对传感器输出信号进行信号处理。

信号处理电路功能主要是把信号放大、滤波和线性化，经过信号处理后，使其适合于A/D转换器的输入。

通过ADC对模拟信号进行数字化，然后把数字信号送到微型控制器或其他数字器件，进行系统的数据处理。

由于不同的传感器有不同的特性，所以要根据具体传感器的特性和要求来设计自己的信号处理电路。

信号放大处理:

检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，电压仅为毫伏量级，甚至更小。

对于这些过于微弱的信号，即无法直接显示，一般也很难做进一步的处理。

这里所说的放大都是指线性放大，就是放大电路输出的信号中包含的信息与输入的信号完全相同，即不减少任何原有信息，也不增加任何新信息，只改变原来信号幅度或功率的大小。

同相放大电路的基本形式如图一所示。

图一同相放大基本电路

其闭环电压增益为

（1-1）

输入电阻

根据放大电路输入电阻的定义有

=

（1-2）

式中

=

，因

→无穷，必有

→0，故从放大电路的输入端口看进去的电阻为:

=

→无穷（1-3）

同相放大电路具有高输入阻抗，但也易于受干扰和精度低的不足。

信号滤波处理:

滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。

所以滤波器实质上是一种选频电路，它允许指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。

对于幅频响应，，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率称为截止频率。

理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内幅度衰减到零。

按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可以分为以下几类：

图二滤波电路的理想特性

图（a）是低通滤波电路幅频响应，它的功能是让从零到某一角频率

的低频信号通过，而对于大于

的所有频率则给予衰减，所以低通滤波器保留了低频信号而滤掉了高频信号。

称为低通滤波器的高截止频率。

图（b）是高通滤波电路幅频响应，它的功能是让从

到无穷的高频信号通过，而对于小于

的所有频率则给予衰减，所以高通滤波器保留了高频信号而滤掉了低频信号。

称为高通滤波器的低截止频率。

图（c）是带通滤波电路幅频响应，它的功能是让从零到某一低角频率

的低频信号和某一高角频率

到无穷的高频信号通过，而对于大于

小于

的所有频率则

允许通过，所以带通滤波器滤掉了低频和高频信号而保留了中间频率信号。

、

分别称为此带通滤波器的低、高截止频率。

图（d）是一带阻滤波器的幅频特性，它滤掉某一频段的信号，而该频段以外的信号则顺利通过。

在本设计中，主要使对频率范围为0～50K、幅值范围为0.2mV～0.1V的低频的模拟信号进行滤波和放大，即将高于50KHZ的干扰信号滤去，然后通过运算放大器进行两级放大，放大倍数为100。

2.2A/D转换

所谓的A/D转换，简单的说就是将模拟信号转换为数字信号的过程。

AD转换器的分类:

积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变