数据采集卡课程设计.docx

1、数据采集卡课程设计第一章绪论21.1设计目的21.2原理设计21.3绘图设计2第二章 课程设计内容基本要求32.1设计要求32.2数据米集卡的功能32.3数据采集卡的系统原理32.4数据采集卡系统的硬件结构4第三章元器件介绍53.1 87C51单片机53.2 4051多路选择53.3 ADC0820模拟数字转换器63.4 DS1248数据存储器63.5 MAX232 芯片73.6 74LS373 锁存器83.7 74LS139译码器9第四章设计原理94.1设计思路94.2工作原理12第五章原理图和PCB图的绘制125.1原理图绘制125.2编译及网络表的生成145.3 PCB图的绘制9155.

2、4原理图中错误16课程设计心得17附录 18第一章绪论1.1设计目的电子线路CAD课程设计是电子设计自动化的后续实践环节。通过本课程设计，帮 组学生进一步领会和深化课堂上学到的有关电子线路 CAD设计的基本概念、基本原理, 掌握原理图绘制，PCB设计的基本操作方法。通过电子线路 CAD课程设计，加强学生 的实际动手能力、分析问题与解决问题能力，培养学生创新意识，为毕业后从事硬件 电子线路系统设计方面的工作打下坚实的实践基础。电气制图与电子线路CAD课程设计实际上是通过EDA技术用现代化得设计方法和 手段设计由若干单元电路构成的小型电子系统，也就是说，学生在这一过程中要根据 每个课程设计题目所给

3、定的总体要求，独立设计、绘制和仿真电路，去实现设计任务 做要求的小型电子系统。通过这种综合性训练，要求学生达到以下目的和要求：（1） 结合课程中所学的理论知识，独立设计方案。（2） 学习查阅相关手册与资料，通过查阅手册与文献资料，进一步熟悉常用电子 器件及其特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力。（3） 学会使用常用电子器件（包括中规模芯片、专用芯片和可编程器件） 。（4） 掌握基本的现代电子技术设计工具和 EDA技术。（5） 熟悉电路板的加工工艺。（6） 认真撰写课程设计报告，培养严谨的作风与科学的态度。1.2原理设计根据功能要求考虑数据采集卡系统设计方案，设计出系统原理图

4、，并进行参数计算 和元器件选择，说明电路的工作原理。1.3绘图设计1）画出完整的原理图。2） ERC电气规则检测。3）生成网络表及元器件清单。4）画出所设计电路的PCB图，包括规划PCB板子大小，元器件布局以及布线，布 线方法可根据具体情况使用自动布线（手工调整）或者手工布线两种不同的方式。5）根据具体情况进行电路仿真：仿真参数，类别，结果，仿真中出现的故障，原 因以及排除方法。第二章 课程设计内容基本要求2.1设计要求设计一块三通道数据采集卡，该数据采集卡可以把外部加速、加速度或压力等传 感器输出的电量信号转换成电压信号，并采集存储到相应的三篇数据存储器中，该数 据采集卡留有与pc机通信的串

5、行接口， pc可以通过串行口把数据存储器中的数据读 入到PC机.。2.2数据采集卡功能数据采集（DAQ）,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非 电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或 者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常， 必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号 ，包括对其进行增益或衰减和隔离，放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号。数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB PXI、PCI、 PCI Express、火线（1394）、PCMCIA ISA、C

6、ompact Flash 等总线接入个人计算机。数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电 阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数 字量采集卡用得是最广泛的。数据采集卡能够完成以下的一些功能： 1、能够采集五路模拟量；2、能够采集四 路开关量；3、将采集到的数据进行处理并存储；4、能够显示环境温度和开关状态；5、 通信功能，同步通信。2.3数据采集卡的系统原理运行时的数据并送给pc机，通过运行在pc机上的特定软件对这些数据进行分析， 以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。当前常用的数据采集装置，在其 系统软件设计中，多采用

7、单任务顺序机制。这样就存在系统安全性差的问题。这对于 稳定性、实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的，因此有必要引入嵌入式操 作系统。下面以 卩C/OSII为操作系统平台，基于 ARM7系列处理器，对一种高性能的 数据采集系统开发进行探索。应用时，数据采集系统置于被监控的设备处， 通过传感器对设备的电压或者电流信 号进行采样、保持，并送入 A/D转换器变成数字信号，然后将该信号送到 FIFO中。当FIFO中存放的数据到了一定数目时，由 ARM7从FIFO中读出，然后通过 ARM7 的以太网接口或者 RS232送给上位机。考虑到要监控的设备可能会很多，所以设计了 多路采集通道，他们经过模拟开

8、关后再进入 A/D转换器。CPLD是整个系统的控制核 心，他控制采集通道的切换、A/D转换器的启/停、转换后的数据在FIFO中的存放地 址发生器、产生中断请求以通知 ARM7读取存放在FIFO中的数据等。2.4数据采集卡系统的硬件结构该系统采用了 Samsung公司的S3C4510B作为系统与上位机沟通的桥梁， S3C4510B是基于以太网应用系统的高性价比 16/32位RISC微控制器，他有如下几个主要特点：硬件方面内含一个由 ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRIS处理器核， ARM7TDM为低功耗、高性能的 16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场 合。S3C4510B

9、通过在ARM7TDM核内容基础上扩展一系列完整地通用外围器件。片上资源包括 2个带缓冲描述符(bufferdescriptor )的HDLC通道；2个UART 通道；2个GDMAS道；2个32位定时器；18个可编程的I/O 口。还有中断控制 器；DRAM/SDRA控制器；ROM/SRAM口 FLASH控制器；系统管理器； 1个内部32 位系统总线仲裁器；1个外部存储器控制器等片内的逻辑控制电路。这些为 卩C/OSII的移植提供了优良的物理资源。软件支持方面他有配套的代码编辑调试环境 ADS12和JTAG在线调试功能，使S3C4510B芯片软件可以直接用 C编写，这就使 卩C/OSII的植入成为

10、可能。12位高速 A/D转换电路采用 AnalogDevices 的AD574,该电路输出具有三态锁存功能。预处理电路包括了电流电压互感器、隔离电路和同步采样电路，他可以将信号转换成与 AD574相匹配的量值，供后续处理。通讯电路采用常用的以太网接口与上位机相连，而 232接口可作为备用，这样该装置既可作为便携式系统使用，也可通过网络来对设备实施实时监控。第三章元器件介绍3.1 87C51单片机单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能 力的中央处理器CPU随机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O 口和中断系统、定时 器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而

11、完善的计算机系统。目前我国主流 的单片机系列有80C51系列，PIC系列，AVR系列等。87C51是INTEL公司MCS-51系 列单片机中基本型产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8 位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。它结合了 HMOS的高速和高 密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片 内4kB EPROM。87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器 RAM、32个双 向输入/输出(I/O) 口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信 口，片内时钟振荡电路。快速脉冲编程

12、，如编写4kB片内ROM仅需12秒。此外，87C51 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU 而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存 RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。图3.1.1 87C51封装形式F1 0Pl. IP1. 2P1 3F1 4PL. 5P1 6F1 7RESET RMD/P3. Q TO/P3. 1 fBT0/P3. 2 IHli/FS. 3T0/P8. 4T1/F3. 5 国Pg, 6BS/P3. 7XTAL2XTALiPEIP Vss1J7 4023

13、933843T536357348339我103111301229132814271S沾1625IT24123132220211 Vce3 FO. O/ADQ PO. 1/AD11 FO 2/AD23 PQ. 3/AD?| PO. 4/AD4PO. 5/AD5 PO 6/AD6 J Pp. t/adtJ EA/Vppm/PMt H FSEHJ P2, 7/ADI 5 3 P2. 6/AD14 1 P2. 5/AD133 P2. 4/ADl9 F2. 3/AD11p P2. 2/AD1OJ P2. l/AD J F2. C/ADS图3.1.2 87c51引脚说明3.2 4051多路选择CD4051

14、/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端 A、B、 C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.520V的数字信号可 控制峰值至20V的模拟信号。例如，若 VDD = +5V，VSS = 0，VEE = -13.5V，贝U 0 5V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个 VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 INH输入端二“ 1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通 8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。CD4051引脚功能说明nEa838电子-技术资料-电子元件-电路

15、图-技术应用网站-基本知 识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号CD4051引脚功能说明引脚号符号功能1，2，4，5，12，13， 14，15IN/OUT输入/输出端9，10，11，A，B，C地址端3OUT/IN公共输出/输入端6INH禁止端7VEE模拟信号接地端8Vss数字信号接地端16VDD电源+灯 數卅世择X. Y X; X IE丄 Y 片选I fO 1廿1 I/O图3.2.1 4051引脚说明3.3 ADC0820模拟数字转换器ADC0820BCN,是一个8-Bit高速pP兼容型，内带时钟，带锁存的三态输出，带追 踪/保持功能的模拟数字转换器。通过 ADC将由多路选择开关4051选

16、择的信号转换成 数字信号，再由单片机将A/D转换的数据通过数据线送入数据存储器。J+VREF3 -VHEFVIN匚 DBO匚DB1匚DB2匚DB3匚 WR/RDYC空匚RDL 1NT匚GNDrDDB7DB6ADC0820引脚图3.4 DS1248数据存储器DS1248是1024k非易失SRAM ,带有隐含时钟。在电路中作为存储器扩展芯片用, 储存单片机数据总线和地址总线输出的数据和地址内容，总共包含有六根数据总线，17根地址总线。在任何情况下为负 undershoots任何幅度，允许当设备在电池备份模 式。Enupiulattd DIP (7404nil Flush图3.4.1 DS1248芯

17、片引脚3. 5 MAX232芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v 单电源供电。符合所有的RS-232C 技术标准，只需要单一 +5V电源供电，片载电荷泵具有升压、 电压极性反转能力，能够产生 +10V和-10V电压V+、V-，并且功耗低，典型供电电流 5mA，内部集成2个RS-232C驱动器、两个RS-232C接收器，高集成度，片外最低只需 4个电容即可工作。C1+1* 2je YccV+2卫GNDC1-Tn HOUTC2+4MAX202E同RUN曲如EC2-512 RI0U1V-T11 11IN120UT710 T2N1QN8 R20LT

18、图3.5.1 MAX232芯片引脚图第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给 RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R10UT、11 脚（T1IN ）、14 脚（T10UT 为 第一数据通道。 8 脚（R2IN）、9 脚（R20UT、10 脚（T2IN）、7 脚（T20UT 为 第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成 RS-232数据从T1OUT T2OUT送到电脑 DB9插头；DB

19、9插头的 RS-232数据从 R1IN、R2IN输入转换成 TTL/CMOS数据后从 R1OUT R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND 16脚VCC（ +5v）。3. 6 74LS373 锁存器74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的 8D触发器,在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块 74IS373芯片。373为三态输出的八D透明锁存器,共有74S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典 型值如下（不同厂家具体值有差别）:1） 373的输出端OO-O7可直接与总线相连；2） 当三态允许控制端 OE为低电平时，OOO7为正常逻辑状态

20、，可用来驱动负载或总 线。当OE为高电平时，OOO7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但 锁存器内部的逻辑操作不受影响。3） 当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在 已建立的数据电平。4） 当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。5） 引出端符号：引脚号符号功能3,4,7,8,13,14,17,18D0 D7数据输入端1OE三态允许控制端（低电平有效）11LE锁存允许端2,5,6,9,12,15,16,19O0-O7输出端10GND接地oLATCHI DOUd-G1Di-D .De一 o .G-JoId-L dG-

21、ho74LS373内部结构图Vcc 7 ? 6 5 Qs 旦_ L|即| 旧ii I而I 的 ii in id ii uirrii 竹 InnULULsJLDlLnZILd OJUDCE Og Dq D 0) O2 Dj Dj Oj 侏C74LS373引脚图3. 7 74LS139 译码器74LS139为两个2线4线译码器，共有 54/74S139和54/74LS139 两种线 路结构型式，当选通端（ G1）为咼电平，可将地址端（ A、B）的二进制编码在一一个对应的输出端以低电平译出。 若将选通端（G1）作为数据输入端时，139还可作数据分配器。1G UIA匸IB匚 !Y0 U EYl匸 !Y

22、2 U 1Y3C GNDC174LS139 的实物图1 J/ 1口 VCC5 150 2G3Up 2A47ILS139 门b 曲274LS139的引脚图第四章设计原理4.1设计思路4.1.1运算放大电路和多路开关选择电路设计信号在传递过程中需要将其放大后再进行传输，防止信号传递过程的消耗而无法 的到与原信号想对应的数字信号。选用电荷放大器将采集到的信号无失真的放大，再 传输到数据选择器中。要求设计的为一个三通道的数据采集卡，则此电路应由三个通 路的电荷放大器组成。放大后的信号需要进行选择之后，再传输到模拟数字转换器中, 经过多路选择开关4051分别进入ADC0820。具体电路如图4.1.1所示

23、：4.1.2 A/D转换电路通过ADC0820模拟数字转换器，来完成将多路选择开关选择出来的有用模拟信号 转变为数字信号。便于数据内容和地址内容的存储。转换后的数字信号会送入单片机中，但由于单片机内存有限，需要对其进行外部扩 展。用内存为1024KB的DS1248数据存储器SRA號成扩展。用锁存器74LS373来完成 单片机P0 口的数据和地址总线的分时复用。 74LS139译码器的输出做片选信号控制DS1248将采集到的数据内容和地址内容分别存入数据存储器中。具体电路如图 4.1.2所示：ZTT*4-Vfc-H f岂X.-*4MBIjmr:!兰去二:薛s二套一图4.1.2扩展电路一二 p p

24、 一：a: w =-V二-一二p :rd 4.1.4接口电路设计AT87C51单片机通过串行口与PC相连，数据采集完毕后，三片数据存储器中的数 据可以分别通过串行口传输到 PC 上,然后进行信号处理以及分析，该数据采集卡可以 作为野外便携式数据采集之用。具体电路如图 4.1.3所示：4.2工作原理一块三通道数据采集卡，U1、C1、R13等构成第一通道的电荷放大器，U2、C2、 R14等构成第二通道的电荷放大器，U3、C3、R15等构成第三通道的电荷放大器，电 荷放大器的作用就是把外部传感器的电量信号转变成电压信号，随后信号经过多路选 择开关4051分别进入ADC0820转换器进行数据转换，数据

25、采集卡的微处理芯片采用 AT87C51单片机，单片机把A/D转换数据通过数据线送入数据存储器， AT87C51单片 机通过串行口与PC相连，数据采集完毕后，三片数据存储器中的数据可以分别通过串 行口传输到PC上,然后进行信号处理以及分析，该数据采集卡可以作为野外便携式数 据采集之用。第五章原理图和PCB图的绘制5.1原理图绘制打开 Protel DXP 2004 后，在 File 菜单下选择 New Project PCB Project，即创建了一个 PCB 项目文件，并保存名为 pro2.PrjPCB。继续在File菜单下选择 NewSchematic，即创建了一个原理图文件，并保存为 s

26、heetl.SchDoc。-嘶 FTB PROJECT2.PRJPCB-I Scures Documents】PCB_P rojectZ, PR JPC B - 旨J Mcu SchDoc-1 Sourue Docunrimn怆 口 tfPCBZPCBDOCF 匸 Libraries图表3创建的文件列表5.1.1电路原理图设计的一般步骤电路原理图设计是整个电路设计的基础，一般电路原理图设计的步骤为：1）启动Protel DXP电路原理图编辑器，建立一个项目，并且接下来相关原理图 设计，元件库设计，PCB图的绘制都在这个项目中进行。2） 设计电路原理图图纸大小及版图，即根据实际电路的复杂程度来设

27、置图纸的大小、方向、网格的大小及标题栏等。3） 放置元件。用户根据实际电路的要求，将元件从元件库中找出并防止再图纸上。 用户根据需要对元件位置进行调整和修改，并对元件的编号、封装等属性进行设置。4） 原理图布线。用户利用 Protel DXP提供的各种画图工具和指令将元件用导线 连接起来，构成一个完整的电路原理图。5） 检查原理图。原理图绘制完成后，利用 Protel DXP提供的电器规则检查功能， 检查原理图的连接是否正确，若有错误则对电路图进行修改。6） 生成网络表。5.1.2元件库的设计在这次设计中，有些元件没有元件库，如 LF351、87C51、MAX232我们必须自行设计元件的引脚图

28、以及其封装形式。在File 菜单下选择New Library Schematic Library ，即创建了一个元件库文件。 在绘制好其元件库后，还需要匹配对应的元器件封装，可以在系统自带的 PcbLib中进行匹配，也可以自行绘制其元件圭寸装，方法如下：在 File菜单下选择New LibraryPCBLibrary，即创建了一个PCB库文件，在此文件中，利用PCB元件向导（在Tools 菜单下PCB-New Componer）完成DIP40或者是DIP24的引脚圭寸装。完成所有的圭寸装 绘制后，命名并保存。在元件库中可以对元器件添加属性，右键选择 Model Ma nager，选择Add F

29、ootpri nt，选择对应的引脚封装形式即可。这样，完成了元件库以及元器件 的封装绘制，并联系了两者的对应的关系。以MAX23为例说明：（1）点击File级联菜单中的Schematic Library 命令，可以建立一个新的原理图 元件库，默认库名为Schlibl.Schlib 。例如在原理图中自行封装的 MAX232芯片：图5.1.1 MAX232芯片的引脚说明（2）元件库设计好了之后需要对其进行引脚的封装。点击 File级联菜单中的PCB库，对设计好的芯片进行封装。可选择元件向导，由软件按照一定的规律绘制出封装， 也可以自行绘制适合的封装形式。例如上 AX232芯片的封装形式为：图5.1.2 MAX232芯片的封装形式封装完成后，需要将此芯片的引脚封装追加到该芯片的引脚设置中，才能完成元 件库中一个芯片的完整设计。如图，完成装形式的追加。图5.1.3 芯片封装5.1.3完整原理完整的数据采集卡原理图见附录二5.2编译及网络表的生成首先经过编译检查电路图中是否有错误出现，若没有错误出现，则可以进行对电 路图生成网络表，方便工程生产。编译好项目，没有错误之后，点击Design/Netlist/Protel菜单选项，系统将自动生成 与项目文件同名的网