计算机测量.docx

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计算机测量

题目

设计一个计算机测量系统

输入信号：

（1）8路应力，输出电压0~0.2v，信号频率小于1KHZ。

（2）4路压力，输出电压0~5v，信号频率小于2KHZ。

（3）2路温度，输出电压0~0.1v，信号频率小于0.5HZ。

系统性能要求：

系统测量精度<0.25%

设计要求：

（1）可以是独立系统，也可以为PC机插卡

（2）设计系统硬件原理图

（3）设计系统软件（包括数据采集软件和上位机软件）

（4）编写设计说明报告，内容包括：

系统结构描述，元器件选型和性能参数，系统性能分析计算，系统硬件原理图，数据采集软件流程图，上位机软件界面，程序源代码等内容。

一、系统结构描述

根据设计内容和要求，本系统主要是对指定信号进行实时的采集、放大、模数转换、传送给上位机运算显示。

因此，本设计将由传感器、数据采集系统和计算机三部分组成。

其中传感器完成信号的获取，即就是可把被测参量转换成为相应的模拟可用信号。

数据采集系统由模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D、信号调理电路及接口、控制电路组成。

鉴于本设计不考虑对环境湿度、振动、电磁干扰等要求，且所测量的三组信号频率范围不高，根据系统设计的基本原则，结合经济性和可行性考虑，本系统采用多通道共享采样/保持器与A/D转换器的方式实现14路信号的转换。

系统中14路信号先通过一片16路的模拟多路选择开关，再通过程控放大器放大预定倍数后送入采样保持器，A/D转换器将信号输入转换成数字信号，完成后输入单片机进行处理，最后通过RS232总线送上位机进行运算和显示。

本设计系统机构框图如下所示：

计算机

图一系统结构框图

二、元器件选型

系统测量精度要求达到0.25%，根据选择元件精度的一般规则，每个元件的精度指标应该优于系统的某一最严格的性能指标的10倍左右，即达到0.025%。

（一）模拟多路开关

系统中输入通道共有14路，一般情况下我们会考虑到选用两片8通道多路选择器AD7501，但鉴于一片16通道多路选择器在与其效果并无多大差别，而且成本相当。

考虑到系统的可靠性和电路的简化性起见，在本次的设计中选取了16通道的AD7506作为模拟多路选择开关。

AD7506通过4根地址线，1个使能控制端实现16路通道的切换。

8路应变信号依次接至多路开关的S1—S8，4路压力信号接至S9—S12，而剩余的2路温度信号则接至S13、S14。

图二AD7506原理图

图三AD7506封装图

AD7506参数下：

导通电阻RON:

400

导通电阻温漂RONVS:

0.5%/℃

开关断开时，开关对地电容：

CS:

5pF

开关断开时，输出端对地电容：

COUT:

40pF

选通信号EN达到50％时到开关接通延迟时间tON:

1.5µs

选通信号EN达到50％时到开关断开延迟时间tOFF:

1µs

开关切换时间tOPEN：

100ns

（二）程控放大器选取

程控放大电路分时对14路信号进行放大，以保证采样保持器和A/D转换器的稳定工作。

经过放大后的信号在0～FSR区间中。

FSR为A/D转换器的满量程参考电压。

本设计的A/D转换器采用AD578，其满量程电压为10V。

故放大倍数如下表所示：

表1程控放大器信号对照表

信号类型

输入电压范围

放大倍数

应变信号

0~0.2V

50

电压信号

0~5V

2

温度信号

0~0.1V

100

这里选取了德州仪器生产的型号为PGA113的零漂移可编程增益放大器。

PGA113支持1、2、5、10、20、50、100以及200等范围增益。

增益切换时间为200ns，增益设置时间为2.55μs，而误差仅为0.01%。

在所有器件中，正常工作温度下的DC增益误差为0.1%（G小于或等于32时的最大值）。

所有器件均采用具有菊花链功能的标准SPI串行接口。

单片机通过SPI接口写入命令字来选择放大增益。

G3,G2,G1,G0写入不同值时对应增益如下：

表2程控放大器增益选择表

G3

G2

G1

G0

GAIN

0

0

0

1

2

0

1

0

1

50

0

1

1

0

100

满功率带宽计算：

当G=100时SR最小，SR=3.5us,最大输出电压

=10V。

计算得

完全满足系统要求。

图四FGA113

PGA113参数如下：

增益切换时间为：

200ns

DC增益误差：

1

G>500.3%

非线性误差：

0.0015%

失调电压温度系数：

（三）采样/保持器

采样/保持器用来对将要进入A/D转换器的模拟信号进行采样和保持，以确保A/D对数据的正确转换。

每次数据采样过程都包括一次采样和一次A/D转换。

引入采样/保持器后，系统可处理的最高输入信号频率为：

tAC：

采样/保持器的捕捉时间

tAP：

采样/保持器的最大孔径时间

tCONV：

A/D转换器的转换时间

本方案中的采样/保持器选取AD582，其tAC＝6us，tAP＝50ns，AD578的转换时间tCONV＝3us。

则本系统可采样最高输入信号频率为：

fMAX＝110.497KHz，满足设计要求。

采样保持器选择AD582，其参数：

信号捕捉时间：

6

。

采样，保持模式时输入阻抗：

30M

线性度误差：

±0.01%；

增益温度系数：

15×10-6/℃；

失调温度系数：

；

输入偏置电流：

1.5

（四）A/D转换器

A/D转换器是采样通道的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。

目前市场上A/D芯片种类很多，性能各异。

针对不同的采样对象有不同特性的芯片。

本设计主要从系统测量精度、速度和成本三个方面进行选择。

因在信号中最高频率为fc=2kHz，由采样定理，单路采样频率fs>2fc=4kHz，取fs=8KHz。

系统共14路模拟信号，所以系统采样频率fs=14×8KHz＝112KHz，采样时间Ts＝1/fs＝8.9µs，所以选择A/D转换器采样时间应小于8.9µs。

下附一些常用的A/D转换器的常用参数：

表3常用A/D转换器参数

芯片型号

位数

转换时间

模拟输入范围

工作电压

说明

ADC0809

8

100us

0~5V

＋5V

逐次逼近

ADC1211

10

100us

0~5V+5V

+5~+15V

逐次逼近

ADC1210

12

30us

0~5V+5V

+5~+15V

逐次逼近

AD578

12

3us

0~10V+5V

+5V+12V

逐次逼近

ADC1143

16

<100us

+5V+15V

带采样/保持

因此在这里选取AD578，12位，转换时间3

，转换误差≤±3LSB/4，输入范围单极性的0~10v，逐次逼近式的A/D转换器。

精度都应该不大于0.02%。

符合系统性能要求。

图五A/D578封装图

A/D578参数：

量化误差：

<±1/2LSB=0.012%；

线性度误差：

<±1/2LSB=0.012%；

增益温度系数：

（15～30）×10-6/℃；

失调温度系数：

8×10-6/℃；

电压灵敏度：

0.002%。

输入模拟电压范围0～＋10V

（五）单片机的选择

80C51是一种低功耗、高性能、高密度的CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程存储器，造价低廉功能完全能够满足本系统设计要求。

综上所述，系统的硬件原理图应该为：

图六系统硬件原理图

三、系统误差和性能分析

（一）多路模拟开关误差

开关导通电阻和程序放大器输入电阻的比值，决定了开关导通电阻上输入信号压降所占比例，放大器输入电阻达到10000M

即

设信号源内阻为10

，则多路模拟开关AD7506的16路开关截止电流在信号内阻上的压降为：

鉴于误差较小，基本可以忽略不计。

（二）采样保持器AD582的误差：

线性度误差：

±0.01%；

输入偏置电流在开关导通电阻和信号源内阻上所产生的压降为：

（三）AD578转换器的误差

量化误差：

=0.012%

线性度误差：

=0.012%

滤波器的混叠误差取为0.01%，按方和根式得到A/D转换器，采样/保持器和多路开关的综合误差：

（四）可编程增益放大器PGA113的误差

1）PGA113的失调电压温漂引起的误差：

它的失调电压温度系数为：

，则最大温度误差（环境温度变化为

）是：

2）PGA113的增益为100时，最大线性误差为0.03%

3）PGA113的非线形度为

由方和根综合所有误差的到PGA113的总误差为：

系统的总误差为：

程控放大器在增益大于50时非线性误差达到0.3%，不符合单个器件的选型原则，但是系统中器件数较少，误差来源主要为程控放大器的非线性误差，经计算总误差没有超过给定指标，仍然采用该程控放大器。

（五）速度分析

输入信号的最高频率为2kHz。

由Nyquist采样定理，采样频率应该大于等于信号频率的两倍。

本方案中的采样/保持器和A/D时间为tAC＝6us，tAP＝50ns，转换时间tCONV＝3us，对采样系统，速率主要包括A/D转换时间tCONV和采样/保持器的捕捉时间tAC，MUX切换时间

，放大器设置时间

，信号调理时间

，接口电路时间

。

这些时间有些可以并行，如

和

，取决于设计。

所以全部通道完成一次转换所需最大时间为：

则

取周期

，输入信号最大频率为2kHz则采样频率

则满足采样定理。

四、数据采集软件流程图

（一）下位机主程序

图七下位机主程序

（二）上位机主程序：

图八上位机主程序

五、上位机软件界面

上位机为计算机，所用的编程软件为VisualBasic6.0，以下界面是由此软件完成，由于时间有限，界面略显粗糙。

图九上位机软件界面

六、程序源代码

PrivateSubForm_Load（）

Diminbyte（）AsByte

Dimbuffer（29）AsByte

MSComm1.CommPort=1'串口初始化

MSComm1.Settings="9600,n,8,1"

MSComm1.PortOpen=True

MSComm1.InputMode=comInputModeBinary

MSComm1.RThreshold=30

Errline:

IfErr.Number<>0Then

MsgBoxCStr（Err.Number）+""+Err.Description,vbOKOnly+vbInformation,"提示信息！

"'错误提示

EndIf

Err.Clear'清除错误

EndSub

PrivateSubMSComm1_OnComm（）

DimiAsInteger

SelectCaseMSComm1.CommEvent

CasecomEvReceive

buffer（29）=MSComm1.Input

While（buffer（0）="$"）'判断是否开始

Fori=1To8

Text3（i）=（buffer（2*i-1）*2^8+buffer（2*i））*a

'处理8路应力数据并显示

End

Fori=9To12

Text3（i）=（buffer（2*i-1）*2^8+buffer（2*i））*b

'处理4路压力数据并显示

End

Fori=13To14

Text3（i）=（buffer（2*i-1）*2^8+buffer（2*i））*c

'处理2路温度数据并显示

End

End

EndSelect

EndSub

PrivateSubForm_Unload（CancelAsInteger）

IfMSComm1.PortOpen=TrueThen'退出时关闭串口

MSComm1.PortOpen=False

EndIf

EndSub