32路数据采集系统设计.docx

1、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（010V），双端16路（土 5V）2输入阻抗10M欧3.放大器增益可选 X1 , X10, X100, X10004.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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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，

7、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

8、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

9、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000 10111S101000111S110100111S12001 :0111S131100111S141010111S15011 I0111S161110111S170001011S201001011S211111110S47CLOW论 NJS

10、74HC273引脚图ClJUC 1Q 10 JD（2）、多路转换开关CD4051CD4051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VssVdd 转换到VeeVdd以满足开关控制的需要。VDD 2 1 0 3 A 0 C|l615la131?11ID9411 *2i DU13/IN4P 56J 汕6HV7V1:IM/OUT IN/OUTCD4051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

11、、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，

12、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）V FG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 11000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0.11000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

13、 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3 AD521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

14、 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Rg0.11兆欧姆1100千欧姆1010千欧姆1001千欧姆1000100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

15、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

16、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)。+ I NNCNCNCNULLL+NULLL-Us+UsCH-INNC OUTPUT12345671413121_11098AD582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

17、)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, 1

18、2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：1 1f max2 tAC tCONV tAP 2 6 10 25 10 -6 50 10， 3.33 K H zAD582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

19、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

20、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/2FSR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

21、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Analog Devices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20C40C,十进制分度为200,非线性误差小于1/2）LSB，一 次转换

22、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：单极性模拟输入有两种量程：010V量程从AD574的10VIN引脚13输 入；020V量程从AD574的20Vin引脚14输入。电位器 W1接参考电压输出 端BIP OFF端用作零位偏移调整，电位器 W2接参考电压输入端REF IN和双极性偏移调节端BPLRof端用作满量程调整图10 AD574的工作方式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

23、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 REF OUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REF IN通过电位器 W1接至参考 电压输出端REF OUT0 W1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 BIP OFF接至参考电压输 出端REF OUT以取得10V的偏移电压。均为100欧姆电位器

24、，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 0

25、F9H。因为12/8接地，所以A/D转换结果分 两次读出，高8位从D11D4读出，低4位从D3Do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11 AD574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、

26、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

27、出量保持方式： 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。 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

28、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DAC0832 DAC0832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

29、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。