32路数据采集系统设计.docx
《32路数据采集系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《32路数据采集系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
32路数据采集系统设计
西南科技大学
课程设计报告
课程名称：
设计名称：
姓名：
学号：
班级：
指导教师：
起止日期：
课程设计任务书
学生班级：
学生姓名：
学号：
_
设计名称：
起止日期：
指导教师：
设计要求：
1•输入：
单端32路（0~10V），双端16路（土5V）
2输入阻抗》10M欧
3.放大器增益可选X1,X10,X100,X1000
4.AD分辨率12位，中断工作方式
5通信接口RS232
画出系统原理图，所用器件需附上引脚图，并对原理图做简要说明：
1•多路开关选通逻辑计算
2.放大器增益计算
3•中断请求工作原理
4.单双端切换方法
计算当单端输入3.95V时，数字输出二进制码为多少？
计算当双端输入+1.25V和-1.25V时，数字输出的偏移二进制码为多少?
课程设计学生日志
时间
设计内容
2011.10
选取设计题目，查找相关资料
2011.10
进行构思，设计
2011.11
根据设计内容，编写实验报告
2011.12
；对实验报告过行整理，精简
2011.12
答辩
课程设计考勤表
周
星期一
星期二
星期三
星期四
星期五
课程设计评语表
指导教师评语:
成绩：
指导教师：
32路数据采集系统设计
一、设计目的和意义
本设计主要完成了基于AT89S51单片机控制的为实现一个满足多路开关选通逻辑计算、放大器增益计算、中断请求工作、单双端可以切换的系统。
其意义是对多路数据采集系统有了更加深入的理解，能够通过设计要求完成设计相关的原理和相关设计计算。
二、设计原理
本设计用单片机控制多路数据采集系统，本文着重介绍该系统的工作原理及硬件与软件设计，本设计的主要组成如下：
（1）多路数据输入单元。
（2）采样保持电路的A/D转换单元。
（3）硬件和单片机的连接电路。
（4）单片机输出的数据锁存和D/A转换单元。
系统总框图如图所示：
系统原理框图
多路数据采集系统的方案及总体设计，包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计（要用到单片机的控制整个系统），因此要完成单片机应用系统的硬、软件设计并完成软件调试，以满足整个系统的要求。
整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。
硬件设计包括：
1模拟多路开关电路
2运算放大电路
3采样保持电路
4模数转换电路
5硬件和单片机的连接电路
6数模转换电路
7转换开关保护电路
软件设计包括：
1主程序
2A/D和D/A转换程序
3多路开关控制程序
4I/O接口控制程序本次设计着重阐述硬件方面的设计流程及方法
三、详细设计步骤
1、硬件部分设计
多路数据采集系统的硬件部分分为多路数据输入部分，采样保持部分，A/D转换部分，硬件和单片机的连接电路部分，D/A转换部分。
1.1、各部分功能介绍
（1）多路数据输入部分
在不要求高速采样的场合，一般采用共享的A/D转换通道，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。
用模拟多路开关来轮流切换模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。
一般模拟多路开关有2N个模拟输入端，N个通道选择端，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。
有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性的转换。
在数据采集时，来自传感器的模拟信号，一般都是比较弱的电平信号，因此需要放大电路把输入的模拟信号进行适当的放大。
放大器的作用是将这些微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。
为了充分利用A/D转换器的分辨率（A/D转换器输出的数字位数），就要把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应得电平值。
（2）采样保持部分
模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。
在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。
否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。
要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后
又要跟踪输入信号的变化。
实现这种功能可以用采样/保持器来实现，因而，由
于采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采集频率。
（3）A/D转换部分
因为单片机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。
A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。
（4）硬件和单片机的连接部分
该部分用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传给单片机。
单片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据作相应的处理。
（5）D/A转换部分
D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。
1.2、各部分详细设计步骤及实现原理
1.2.1、多路转换开关
（1）、多路开关的选择
多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。
切换过程可在CPU或数字电路的控制下完成。
常用的模拟开关大都采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。
本设计是实现32路数据采集，所以选择4片8选1的模拟开关。
选通逻辑计算：
当74HC273的Clear为1（高电平），时钟产生跳变时，只要D端输入为1,则Q端输出为1；D端输入为0,则Q端输出为0;CD4051由三根地址线A、B、C以及控制线INH的状态来选择8路中的一路，4NH=0，芯片使能。
如D3=0,则Q3=0选中U1，再根据地址线A、B、C来确定通道，由此可以推出多路开关选通的真值表，如表所示。
D0（A）
D1（B）
D2（C）
D3（INH1）
D4（4NH2）
D5（4NH3）
D6（4NH4）
接通通道
0
0
01
0
1
1
「1
S10
1
0
0
0
1
1
1
S11
0
1
0
0
1
1
1
S12
0
0
1:
0
1
1
「1
S13
1
1
0
0
1
1
1
S14
1
0
1
0
1
1
1
S15
0
1
1I
0
1
1
1
S16
1
1
1
0
1
1
1
S17
0
0
0
1
0
1
1
S20
1
0
0
1
0
1
1
S21
…
…
…
…
…
…
…
…
1
1
1
1
1
1
0
S47
CLOW
论NJ
S
74HC273引脚图
Cl£JUC1Q10JD
（2）、多路转换开关CD4051
CD4051由电平转换电路、译码驱动电路和CMOS模拟开关电路三部分组成。
开关部分的供电电压为Vee（低端）和Vdd（高端），因此需要的控制电压为Vee〜Vdd，电平转换电路将输入的逻辑控制电压（A、B、C、INH端）从Vss〜Vdd转换到Vee〜Vdd以满足开关控制的需要。
VDD2103A0C
|l6
15
la
13
1?
11
ID
9
—
4
1
1*
2
iDU1
3
/IN
4
P5
6
J汕
6
H
V
7
V1:
IM/OUTIN/OUT
CD4051引脚图
122、前置放大电路
传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行
A/D转换。
因此，在进行非电量到电量转换之后，需要将信号放大。
由于前置放
大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以本设计选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。
AD521放大器的简化原理图及简化引脚图如图2所示。
工作原理：
差分输入电压Vi加在外接电阻Rg两端，在Rg上产生的不平衡电流△l=V/Rg；流过晶体管BGi和BG2,由于晶体管BG3和BG4为镜象电流源所偏置，迫使流过BG3和BG4集电极的电流相等。
因此由差分输入电压所产生的不平衡电流流过另一个外接电阻Rs,由于反馈放大器的作用，该放大器的输出电压V。
和电阻Rs两端的电压保持相等，因此可得：
V。
二Rs（2-1）
V|Rg
即放大器的放大倍数的计算公式为2-2所示：
G当昌（2-2）
VFG
可见，只要适当改变Rs/Rg之比值即可改变放大器增益。
其放大倍数可在1~1000的范围内调整。
作为一个精密的仪用放大器，AD521仅有两只增益调整电阻Rg和Rs，通过调整Rg和Rs的阻值，可使放大器在0.1〜1000增益值范围内取得任意值，电阻Rg和Rs之比率的调整不会影响AD521的高CMR（达120dB），或高输入阻抗
（3X109欧姆）。
此外，AD521与大多数由单个运放组成的仪用放大器的不同点
是：
（1）不需要采用精密匹配的外接电阻
（2）输入端可承受的差动输入电压可达30V，有较强的过载能力。
（3）对各个增益段均进行了内部补偿，并具有优良的动态特性，其增益带宽达40MHz。
AD521放大器的典型外部接线图如图3所示。
引脚OFFSET（4,6）用于调整放大器零点，调整线路是芯片4,6接到10千欧姆电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源U-（脚5）。
引脚Rg（2,14）用于外接电阻Rg,电阻Rg用于调整放大倍数。
引脚Rs（10,13）用于外接电阻Rs，电阻Rs用于对放大倍数进行微调。
选择Rs=100千欧姆±5%时，可以得到比较稳定的放大倍数。
图3AD521的外部接线图
因为选择Rs=100千欧姆±15%时，可以得到比较稳定的放大倍数，本设计选择Rs为100千欧姆，根据公式（2-1）可知，只要Rg选择不同的阻值，就可以得到不同的放大倍数，即就是增益值。
表2所示为Rg选择不同的阻值，对应的增益值。
表2增益表
增益值
Rg
0.1
1兆欧姆
1
100千欧姆
10
10千欧姆
100
1千欧姆
1000
100欧姆
1.2.3、采样/保持电路
当输入信号为缓慢变化的信号，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。
当控制信号Uc为采样电平时，开关S导通，模拟信号通过开关S向保持电容Ch充电，这时输出电压Uo跟踪输入电压Ui的变化。
当控制信号Uc为保持电平时，开关S断开，此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。
为使保持阶段Ch上的电荷不被负载放掉，在保持电容Ch与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲放大器A。
采样/保持电路有两种工作状态，即采样”和保持”状态，在采样状态中，采样/保持电路的输出跟随模拟输入电压。
一旦发出保持命令，采样/保持电路将保
持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。
此时采样/保持电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。
采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。
因为影响采样/保
持器的误差源比较多，所以关键在于误差的分析。
常用的集成采样/保持器有
AD582、AD583、AD585以及国家半导体公司的LF198/298/398等。
它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成［5］。
它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图如图6所示，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容Ch在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源，脚11和脚12是逻辑控制端，脚3和脚4接直流调零电位器，脚2,7,13,14为空脚（Nc）。
'+IN
NC
NC
NC
NULL
L+
NULL
L-
-Us
+Us
CH
-IN
NCOUTPUT
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
1_1
10
9
8
AD582管脚图
由于AD582的以下特征，本设计所以选择AD582采样保持器。
（1）有较短的信号捕捉时间，最短达到6^。
该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。
（2）有较高的采样/保持电流比，可达到107。
该值是保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值，是保证采样/保持器质量的标志。
（3）在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30兆欧姆。
（4）输入信号电平可达到电源电压±Js,可适应于12位的A/D转换器
（5）具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。
（6）AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。
由于AD582的孔径时间tAP=50ns、捕捉时间tAC=6p8,12位的AD574的转换时间tcoNv=25pS，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式所示。
本设计的系统能对频率不咼于15.53KHz的信号进行米样，使系统可米集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样频率。
采样/保持器的数据采集系
统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点。
因此，本设计的系统可处理的最高输入信号频率应为式：
11
fmax
2tACtCONVtAP26102510-65010，3.33KHz
AD582是反馈型采样/保持器，保持电容接在运算放大器A2的输入端（脚8）与反相输入端（脚6）之间。
根据密勒效应”这样的接法相当与在A2的输入端接有点容C1h=（1+A2）Ch（A2为运算放大器A2的放大倍数）。
所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。
当精度要求不高（±.1%）而速度要求较高时，
可选Ch=100pF，这样的捕捉时间tAC空6us。
当精度要求较高（±.015%）时，为了减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取Ch=1000pF。
因此，本设计的系统
根据对采集精度的要求可以配置不同的Ch的，下图为AD582的连接图。
A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统
采集对象的性质来选择其类型。
（1）、A/D转换器与采样保持器的接口电路
根据本设计的系统被采集信号的数量、特性（类型、带宽、动态范围等）、
精度和转换速度的要求、各路模拟信号之间相位差的要求和工作环境要求等实际情况，使之既在系统性能上达到或超过预期的指标，又造价低廉。
故本设计的系统采用多路模拟通道共享采样/保持器的转换电路。
多路模拟通道共享采样/保持器的通道是采用分时转换工作方式。
模拟开关在单片机控制下，分时选通各个通道信号，然后把信号送采样/保持器和A/D转
换器，经过A/D转换器转换后送单片机处理。
由于各路信号的幅值可能有很大的差异，常在系统中放置放大器，使加到A/D输入端的模拟电压幅值处于FSR/2~FSR范围，以便充分利用A/D转换器的满程分辨率。
多通道共享采样/保持器与A/D转换器的典型电路原理图下所示。
多通道共享采样/保持器与A/D转换器图
（2）、A/D转换器的选择
模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。
本系统的模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。
地址译码器由一片74LS138（3-8译码器、以及门电路组成。
AD574是美国AnalogDevices公司生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。
片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。
温度的调节范围为20C〜40C,十进制分度为200,非线性误差小于±1/2）LSB，一次转换时间为25电源供电为±5V（±I2V）和+5V;AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入等优点。
AD574的单极性和双极性工作方式：
①单极性模拟输入有两种量程：
0〜10V量程从AD574的10VIN引脚13输入；0〜20V量程从AD574的20Vin引脚14输入。
电位器W1接参考电压输出端BIPOFF端用作零位偏移调整，电位器W2接参考电压输入端REFIN和双极
性偏移调节端BPLRof端用作满量程调整
图10AD574的工作方式
②双极性模拟输入有两种量程：
-5V〜+5V量程从13引脚输入；-10V〜+10V量程从引脚14输入。
本系统中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图10所示。
双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W2接至参考电压输出端REFOUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REFIN通过电位器W1接至参考电压输出端REFOUT0W1和W2均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。
（3）AD574与单片机的接口电路
AD574的内部具有三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口。
AD574
与单片机的接口电路如图11所示。
该电路采用双极性输入方式，可对-5V〜+5v或-10V〜+10V模拟信号进行转换。
双极性偏移调节端BIPOFF接至参考电压输出端REFOUT以取得10V的偏移电压。
均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。
AD574的状态信号STS与AT89S51的P1.0端相连，采用查询判断A/D转换是否结束。
AT89S51的控制线RD和WR通过与非门接AD574的CE端。
AT89S51的P0.0通过锁存器74LS373和非门接AD574的A。
。
AT89S51的P0.1通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来控制AD574的转换状态和读取转换结果。
AD574片选端CS端由译码器74LS138的译码信号来控制。
AD574的12/8接数字地。
设A/D全12位转换，要求启动转换时，Ao=O,即Po.o=O；R/C=0,即Po.1=O。
故可确定启动转换时的端口地址为0F9H。
因为12/8接地，所以A/D转换结果分两次读出，高8位从D11〜D4读出，低4位从D3〜Do读出。
读高8位结果时，要求Ao=O,R/C=1;读低4位结果时，要求Ao=1,R/C=1。
两次读出结果的端口地址分别为0FBH和0FAH。
图11AD574与单片机的接口
125、数/模转换电路
除了新型的现场总线控制系统外，传统的计算机控制系统大都是用模拟电压或电流作为传输信号的。
模拟量输出通道的作用就是把计算机处理得出的数字量结果转换成模拟电压或电流信号，传输给相应的执行机构，实现对被控对象的控制。
能把数字量转换成模拟量的器件称为数/模转换器简称D/A转换器或DAC输出接口电路、DAC是模拟量输出通道的基本部件。
由于实现较远距离的信号传输时采用的是电流信号，而DAC!
常输出的是电压故模拟量输出通道一般具有电压/电流（V/I）转换环节。
此外，根据需要可能还要有零点和满度调节部件。
因数/模转换器是模拟输出通道的核心，所以通常也把模拟量输出通道称为D/A通
道。
1、D/A通道的结构
单片机周期地输出控制数据给执行机构，在下次数据输出以前，必须将前一次输出的数据保持。
单个的D/A通道由数据锁存器保持数据，通道由输出接口电路数据锁存器、D/A转换电路、V/I转换电路等构成。
许多DAC芯片的输入端都有数据锁存器，这时不需另加锁存器。
对于多模拟量输出通道，有两种不同的输出量保持方式：
①采用数据锁存器保持输出量，每个输出通道都有独立的数据锁存器
（一般含在DA芯片内）及D/A转换器。
这种方案的优点是速度快，精度高，工作可靠，不用多路开关。
②使用采样保持器保持输出量，各通道共享一个D/A转换器，通过多
路开关进行切换。
由于各路共用一个D/A转换器，其转换速度减慢,且输出端靠保持电容模拟量信息，当控制周期较长时，需要软件刷新。
优点是节约了芯片。
根据本次设计的要求选择了第一种方式，如图所示：
图12具有独立DAC勺多路模拟量输出通道
2、选用D/A芯片
DAC0832是常用的8位COM电流输出型乘法D/A转换器，由于采用COM电流开关和控制电路，所以功耗低，输出漏电流小。
可以直接与AT89S51单片机连接。
DAC0832^内含有输入缓冲寄存器和DAC锁存器两个8位寄存器。
可以进行两级缓冲操作，具有很大的灵活性，可以采用流水线方式，一边输入数据一边转换上一次输入的数据。
因此，本设计选用美国半导体公司推出的8位D/A转换芯片DAC0832DAC0832是采用CMO工艺，具有20个引脚的双列直插式8位D/A转换器。
DAC0832有两级锁存器，第一级称为输入寄存器，第二级称为DAC寄存
器。
因为有两级锁存器，DAC083可以工作在双缓冲方式下，即在输出模拟信号的同时可以采集一个数字量，这样可以有效地提高转换速率。
另外，还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。
DAC0832既可以工作在双缓冲方式，也可以工作在单缓冲方式。
无论哪种工作方式，只要数据进入DAC寄存器便启动D/A转换。
3、D/A转换器接口电路设计
（1）DAC0832的单缓冲工作方式接口
若应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求同步输出时，则可以选择单缓冲接口方式。
在单缓冲接口方式下，ILE接+5V始终保持有效，由写信号控制数据的锁存，旅和wr2相连，接单片机的WR，数据同时写入两个寄存器。
传送允许信号XFER与CS片选相连，选中DAC0832后，写入数据立即启动转换。
（2）DAC0832双缓冲工作方式接口
对于多路D/A转换接口，要求同步并行D/A转换时，必须采用双缓冲同步方式接法。
DAC0832采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，CPU数据总线分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据同时输入DAC寄存器，实现同步转换输出。
本设计系统是实现两路D/A转换，要求同步进行D/A转换输出，因此系统采用双缓冲同步工作方式。
升级会员 