多路模拟信号采集器.docx
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多路模拟信号采集器
摘要：
本报告介绍的是一个可以采集八路模拟信号，经过AD转换和串行通信，以数字和曲线的形式，在液晶上显示出来的数据采集器。
本采集器具有采集路数多（八路），UART通信（采用RS485），和数据可观察（12864液晶显示）的特点。
本采集器主要分为三部分：
信号发生器，AD转换和传输，数据处理并显示。
关键词：
正弦信号发生器数据采集UART液晶显示
Abstract:
Thisreportdescribesacollectionoftheeightanalogsignals,afterADconversionandserialcommunication,digitalandcurvedform,intheliquidcrystaldisplaydatacollector.Thecollectorhasacollectionroutesmore（eight）,thecommunicationdistanceislong（RS485）,andthedatacanbeobserved（12864liquidcrystaldisplay）features.Thecollectorismainlydividedintothreeparts:
signalgenerator,ADconversionandtransmission,dataprocessinganddisplay.
Keywords:
sinusoidal-signal-generatorDataCollectionUARTliquidcrystaldisplay
第一章前言
1前言
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。
被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。
采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。
采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。
准确的数据量测是数据采集的基础。
数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。
不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。
数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。
在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。
[1]
在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。
首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。
其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。
国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。
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。
假设对一个模拟信号x（t）每隔Δt时间采样一次。
时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。
它的倒数1/Δt被称为采样频率，单位是采样数/每秒。
t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等，x（t）的数值就被称为采样值。
所有x（0）,xΔt）,x（2Δt）都是采样值。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。
反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。
如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。
这种信号畸变叫做混叠（alias）。
出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。
采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50Hz）的信号可以被正确采样。
而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。
分别产生了30、40和10Hz的畸变频率F2、F3和F4。
计算混频偏差的公式是：
混频偏差=ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率）
其中ABS表示“绝对值”，
为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。
这个滤波器称为抗混叠滤波器。
采样频率应当怎样设置。
也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。
但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。
理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。
通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。
这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。
并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。
这里又发生一个困难，并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。
所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x（n）和采样频率。
这是测量与分析的唯一依据。
数据采集卡，数据采集模块，数据采集仪表等，都是数据采集工具。
[2]
本次所制作的电子产品正是基于51单片机的数据信息采集处理器。
通过信号发生器产生一个正弦波信号，然后经过频率电压变换电路和条理电路，给AD转换器转换成数字量，然后由单片机的串口发送到主单片机，最后由液晶显示器显示电压和波形出来。
第二章方案的设计
2.1总体方案的设计
本系统原理框图如图一所示：
图一
2.2方案的比较
2.2.1正弦波发生器的比较
方案一：
RC振荡电路
采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。
常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和RC移相式振荡电路。
RC桥式振荡电路是将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器可采用集成运放。
运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，故把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。
图中Rf采用了具有负温度系数的热敏电阻，用以改善振荡波形、稳定振荡幅度。
负反馈支路中采用热敏电阻有不但使RC桥式振荡电路的起振容易，振幅波形改善，同时还具有很好的稳幅特性，所以实用RC桥式振荡电路中的热敏电阻的选择是很重要的。
但是精密双联电阻和热敏电阻难以找到，并且调试麻烦。
图2RC振荡电路原理框图
方案二：
采用集成芯片MAX038
根据题目要求，可以直接选择集成信号发生芯片MAX038实现信号发生。
它具有频率高、精度好，能产生紧密三角波、正弦波、方波，频率范围0.1Hz至20MHz并且输出幅度稳定。
但此芯片比较昂贵，性价不不高。
方案三：
采用ICL8038
ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。
方案论证：
方案一和方案二均能满足题目要求，但方案一调试困难。
而方案二集成度高，稳定性更高，但性价比不高。
方案三可以很好的满足题目要求，故选方案三。
2.2.2串行通信芯片的选型
方案一：
采用RS232
RS-232是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。
传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
方案二：
采用RS485
RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线 RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
方案比较：
由于题目要求传输距离要求在15米以上，若用RS232传输数据略显不足，采用RS485虽然只能半双工传输数据，但以满足题目要求，故采用方案二。
2.2.3主控器的选择
方案一：
采用AT89C51单片机
AT89C51单片机具有如下特点：
5V供电，8位CPU，与AT89C51兼容。
有四组I/O口（P3口可复用），5个中断源，有两个外部中断输入端，两个内部定时器中断（也可以扩展做计数器），支持半双工串行通信。
内部RAM为128B，ROM为4K。
方案二：
采用FPGAcycloneII器件
cycloneII器件具有如下特点：
采用TSMC90nm低K绝缘材料工艺技术，支持NiosII系列软核处理器，嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封装，提供40多个可定制IP核。
方案比较：
采用FPGAcycloneII器件完全能完成数据采集和串行通信的功能，并具有高速的数据处理能力，但是成本比采用AT89C51单片机高很多。
采用AT89C51单片机也能实现本设计的功能，出于成本考虑，采用方案一。
2.2.4AD转换器的选择
方案一：
采用TLC0831
TLC0831是TI公司生产的八位逐次逼近式AD转换器，它有一个差分输入通道，串行输出配置为与标准移位寄存器或微处理器兼容的Microwire总线接口，极性设置固定，不需寻址。
其内部有一采样数据比较器将输入的模拟信号微分比较后转换为数字信号。
模拟电压的差分输入方式有利于抑制共模信号和减少或消除转换的偏移误差，而且电压基准输入可调，使得小范围模拟电压信号转化时的分辨率更高。
由于标准移位寄存器或微处理器将时间变化的数字信号分配到串口输出，当IN-接地时为单端工作，此时IN+为输入，也可将信号差分后输入到N+与N-之间，此时器件处于双端工作状态。
其特点有：
（1）8位分辨率；2）单通道输入；（3）5V的电源提供0－5V可调基准电压；（4）输入和输出可与TTL和CMOS电平兼容；（5）时钟频率为250KHz下，转换时间为32uS；（6）总失调误差为1LSB（7）提供DIP8封装。
方案二：
采用ADC0809
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
方案比较：
若采用方案一，由于TCL0832只要一个输入通道，若要实现八路采集则需八个芯片。
ADC0809虽然采集数据没有TCL0832那么快，只有100us，即10KHz，但本次采集的信号频率最高只有2KHz，采集频率只有大于4KHz就可以还原出信号，所以ADC0809完成满足要求，故采用方案二。
第三章单元模块设计
3.1波形发生器
该模块采用的是ICL8038芯片，该芯片是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。
3.1.1ICL8038芯片主要特点：
（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/℃。
（2）正弦波输出具有低于1%的失真度。
（3）三角波输出具有0．1%高线性度。
（4）具有0.001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。
（5）2%～98%之间任意可调；高的电平输出范围。
（6）从TTL电平至28V。
（7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。
（8）易于使用，只需要很少的外部条件。
3.1.2电路设计
本电路图如下：
图中VCC为+12V电压，VEE为-12V电压。
RV1和RV2为波形失真度调节，RV4调节输出频率，管脚2为输出正弦信号。
3.2频率电压转换电路
该电路采用LM2907芯片。
LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，可将频率信号转换为直流电压信号，只需接少量的外围元件即可构速表，可用于测量电机转速，实现汽车超速报警等。
3.2.1LM2907主要特点
LM2907进行频率倍增时只需使用一个ＲＣ网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接脚接入；运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；最大５０ｍＡ的输出电流可驱动开关管、发光二含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为３０ｍＶ利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±０．３％；具有保护电路，不会受高于Ｖｃｃ于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。
3.2.2电路设计
本电路图如下：
图中管脚1为输入的正弦信号，管脚5为输出的1V到3V直流电压信号。
VCC为+12V电压，VEE为-12V电压。
3.3条理电路
该电路采用的是TL082芯片，主要的功能是将输入的1V到3V直流电压信号经比较放大后变成0到5V电压和将正弦电压抬高到0到4V。
3.3.1TL082的特点
TL082是一通用的J-FET双运算放大器。
其特点有：
较低的输入偏置电压和偏移电流。
输出设有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路，较高的压摆率。
最大工作电压为正负18V。
3.3.2电路设计
变压电路图如下：
图中管脚5为输入电压，管脚6为与5脚比较的电压，管脚7为输出的0到5V的电压。
VCC为+12V电压，VEE为-12V电压。
升压电路如下：
图中管脚2为输入的正弦交流信号，VCC为+12V电压，VEE为-12V电压。
管脚3为与管脚2的比较信号，管脚1为输出的0到4V信号。
3.4AD转换电路
该电路采用ADC0809芯片，该芯片简介如下：
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
（1）ADC0809的内部逻辑结构
由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
（2）．ADC0809引脚结构
ADC0809各脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）.
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
A、B、C：
地址输入线。
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表所示。
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
数字量输出及控制线：
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，
VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
2．ADC0809应用说明
（1）．ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
3.4.1电路设计
电路图如下：
图为ADC0809与单片机连接图，其中IN0到IN7为输进ADC0809的模拟信号，ADDA，ADDB，ADDC为地址选通输入端，VERF（+）和VERF（-）为基准电压，取VERF（+）取5V，VERF（-）取0V。
CLOCK，START，EOC分别连接到单片机的P23，P20，P21口。
OUT1到OUT8为AD转换后的数据输出，分别连接到P17到P10口，OE为输出使能端，连接到P22口。
3.5UART电路
该电路采用RS485芯片，RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座。
3.5.1RS485通信
RS485通信特点：
1.RS-485的电气特性：
逻辑“1”以两线间的电压差为+（0.2~6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（0.2~6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。
4.RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。
RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。
RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制（以前有四线制接法，只能实现点对点的通信方式，现很少采用），多采用屏蔽双绞线传输。
这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。
在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。
很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。
3.5.2DB-9的9芯插头座
DB-9的9芯插头座各针头的功能如下表：
针脚
信号
定义
作用
1
DCD
载波检测
ReceivedLineSignalDetector（DataCarrierDetect）
2
RXD
接收数据
ReceivedData
3
TXD
发送数据
TransmitData
4
DTR
数据终端准备好
DataTerminalReady
5
SGND
信号地
SignalGround
6
DSR
数据准备好
DataSetReady
7
RTS
请求发送
RequestToSend
8
CTS
清除发送
ClearToSend
9
RI
振铃提示
RingIndicator
3.5.3连接电路图
MAX485连接电路图：
图为两个MAX485芯片相互连接图，Rt为阻抗匹配电阻，可取120欧姆
MAX485与单片机连接图：
图中MAX487（功能与485相同）的DE与RE均连接到P37，DI连接到P31，RO连接到P30
3.6主机电路
该电路采用AT89C51单片机作为主机接收数据并处理和显示。
3.6.1AT89C51单片机
AT89C51单片机的内部资源主要有并行I/O接口、定时器/计数器、串行接口以及中断系统。
其外部引脚如图2所示。
AT89C51单片机
I/O接口：
51系列单片机有4个8位并行的I/O端口：
P0、P1、P2、P3口。
这4个口既可以并行输入或输出8位数据，又可以按位方式使用，即每一位均能独立作为输入或输出接口用。
定时器/计数器电路：
1.AT89C51单片机有两个16位的可编程定时/计数器：
定时/计数器T0和定时/计数器T1。
2.每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，这些功能都是通过编程设定来实现的。
3.每个定时/计数器有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。
通过编程可设定工作于某种方式。
4.每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式来处理。
串行接口：
AT89C51单片机具有一个全双工的串行异步通信接口，可以同时发送、接收数据。
发送、接收数据可通过查询或中断的方式来处理。
它有四种工作方式：
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