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数据采集系统设计毕业论文
数据采集系统设计毕业论文
第1章前言
1.1设计的研究意义
数据采集系统的任务就是将采集到的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
并将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的实时监控。
在生产生活的各个领域，数据采集系统几乎无处不在，凡是有自动监测及控制的地方都会有数据采集系统的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方都有使用数据采集系统的需求。
因此，对本课题的研究有极其广阔的发展前景和巨大的经济价值。
数据采集系统起始于20世纪50年代，由于数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。
到了70年代中后期，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。
随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统，该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。
例如，国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。
这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：
STD总线系统。
这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。
第二类系统在工业现场应用较多。
这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用 电缆接入系统或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台的重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。
1.2系统的现状和发展趋势
时至今日，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的数据采集系统。
在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
目前有的DAS（Dataacquisitionsystems—数据采集系统）产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上，数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI总线系统等，数据位已达到32位总线宽度，采样频率可以达到100MSps。
由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高，数据采集系统物理层通信，由于采用RS485双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。
其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。
由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
随着现代生产规模的扩大和生产水平的不断提高，对生产过程自动化水平也相应地提出了更高的要求。
目前采用单片机控制并利用编程的方式，可以很方便地发出控制命令和改变系统中控制器的算法与计算参数；尤其是在需要进行一些复杂而又精确的计算时，采用单片机来进行运算，在提高运算速度和精度等方面都显示了无可比拟的优越性。
模拟控制器由于受元件等因素的影响，在制作和实现采集等方面具有一定的局限性，如在控制器有很大的时间常数时，模拟控制器的电容器的体积就相当可观；但若采用单片机来实现大的纯延迟时间的控制器就显得非常方便的，如要改变参数，只要调整程序，而不需要更改更多的硬件。
1.3设计的主要任务
以单片机为核心设计一个数据采集系统，可以完成数据的多重采集和多个数码管显示测量结果，同时保证采集数据的准确性。
最后并用打印机记录数据。
第2章数据采集系统总体功能介绍和说明
在检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。
检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。
所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分，如图2-1。
图2-1系统的框图
2.1系统实现的功能
1、8路数据采集：
可以进行8路0～5V的模拟电压进行循环采集，每路采集的8次，超出界限LED显示报警，将采得的数据求平均。
2、及时保存数据：
对采集的数据按时间及时进行保存。
3、数字实时显示：
LED将实时显示采集的数据，并且能够显示查询时输入的查询量和查询到的数据。
4、可以将采集的数据及时上传到上位PC机功能。
2.2系统各部分的功能
要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。
其具体组成框图如图2-2所示。
图2-2系统功能实现图
被检测的各种参数（温度、流量、压力、位移、速度等）由传感器变换成易于后续处理的电信号。
由于传感器输出信号太弱或信号质量不高，应经过前端预处理电路进行放大、滤波等，然后经过数据采集系统转换成数字量，并通过接口送入存储器，经过单片机运算、变换处理后，由数据分配子系统和接口输出到执行机构，由基本系统及其接口输出用于显示、记录、打印或绘制成各种图表、曲线等。
此外，其他仪器仪表或系统通过通信子系统及接口完成相互之间的信息交换和互连。
所以我们把微机自动检测系统也常称为计算机数据采集系统，或简称为数据采集系统。
微机自动检测技术不仅能解决传统的检测技术不能或不易解决的问题，而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性等，还能实现人脑的部分功能，使自动检测系统具有智能化，实现代替人工自动检测的目的，随着微机自动检测技术的不断发展，自动检测系统会变得更加智能化、多功能化。
2.2.1信号调理部分
信号调理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。
根据测量对象和显示方法的不同，信号处理电路可以是简单的传输电缆，也可以是由许多电子元件组成的数据采集卡，甚至包括计算机在内的装置。
如图2-3
图2-3信号调理图
（1）传感器接收被测量（如物理量、化学量、生物量等），然后才能将其变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）。
它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。
（2）从传感器过来的信号较小（常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压的变化只有几个毫伏，人体生物电信号仅是微伏级）。
因此需要加以放大才能满足大多数A/D转换器的满量程输入0～5V的要求。
此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。
由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此需要的放大器种类也很多。
例如，为了减少输入信号的共模分量，就采用各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输入的漂移，就产生了斩波为零和激光修正的精密放大器。
（3）传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声，常见的工频信号就是人为干扰源。
为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对噪声信号进行一定的衰减。
（4）在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关来实现，这样可以简化设计，降低成本。
多路模拟开关可以分时选通多个通道中的某一路通道。
因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、模/数转换电路以及处理电路等，只需要一套即可，这样可以节省成本和体积，但这仅适用于物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下。
因为这时可以使用普通的微秒级A/D转换器从容地分时处理这些信号。
但当分时通道较多时，必须注意泄露及逻辑安排等问题，当信号频率较高时，使用多路开关后，对A/D转换速率要求也随之上升。
在数据通过率超过40～50kHz时，一般不宜使用分时的多路开关。
模拟开关也可以根据需要安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型；若选用继承电路的模拟多路开关，由于它比干簧和继电器组成的多路模拟开关导通电阻大、泄露电流大，因而有较大的误差产生。
所以要根据具体情况来选择多路模拟开关。
2.2.2数据处理部分
图2-4数据处理框图
从传感器采集来的数据经过信号调理电路，信号做好了模数转换的准备。
模拟信号要变成数字信号，首先要经过采样，采样保持器是快速拾取输入信号的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样保持电路放在模拟多路开关之前（每通道一个），这可实现对瞬时信号同时进行采样。
数据采集的采样方式有两种选择：
一为“实时采样”；一为“等效时间采样”。
（1）实时采样：
数据采集开始后，信号波形的第一个采样点即被采入并数字化，经过一个采样间隔后。
再采入第二个采样点，这样一直将整个信号波形数字化并存入存储器中。
为了不丢失被采样信号所携带的信息，实时采样的采样频率应满足采样定理（香农定理）的要求，当采样频率不满足采样定理时将产生信号混叠现象，使采样后波形中增加了额外的低频成分，造成失真，引起误差。
在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的两倍．通常采用10-20倍。
实际测量时信号往往会混入各种噪声，谐波成分丰富，频带很宽，智能仪表的采样速度很难达到采样定理的要求，这时就应在A/D转换之前加入抗混叠模拟滤波器，滤掉多余的高频分量。
除了“定时采样”（等间隔采样）外，“实时采样”通常使用“变步长采样”，即“等点采样”。
这种方法不论被测信号频率如何，一个信号周期内均匀采样的点总数为N个。
由于采样周期随被测信号周期变化，故通常称之为“变步长采样”。
（2）“等效时间采样”技术要求信号波形是可以重复产生的。
由于波形可以重复取得．因此采样可以用较慢的速度进行，采集的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。
这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。
评价智能仪表数据采集部分的主要技术指标有分辨率、精度、输入信号形式和信号电平、采集速度，抗干扰能力，设计时应根据被测变量的信号特性，仪表的整机技术要求，确定这些指标的具体数值。
采样保持电路输出的信号送至A/D转换器，A/D转换器是模拟输入通道的关键电路。
由于输入信号变化的速度不同，系统对分辨率、精度、转换速率及成本的要求也不同。
因此A/D转换器的种类也比较多。
早期的采样保持电路和A/D转换电路需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片A/D转换器内部包括有采样保持电路、基准电源和接口电路，这为系统设计提供了较大方便。
A/D转换器将结果输出给计算机，有的采用并行码输出，有的则采用串行码输出。
使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。
模数转换器的任务在于把一个未知的连续的模拟输入信号（通常为电压）转换为数字信号，即微型计算机能接受的二进制数。
以进一步用于处理、显示、记录、查询和传输。
模拟输入信号的采样脉冲应做得很窄，以便在采样脉冲空余时间可以进行多路复用。
这个多位数是二进制分数，代表这个未知输入电压Vex与ADC的满刻度电压Vs.的比值，ADC是微机数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标。
本系统采用的ADC0809采用的是逐次逼近式，此种转换器采用一种极有效的方案来改变比较器的参考输入，从而只需要n个时钟周期就能完成n位转换。
单片机系统是整个计算机数据采集系统的核心。
单片机控制整个计算机数据采集系统的正常工作，并且把A/D转换器输出的结果读入到内存，进行必要的数据分析和数据处理。
单片机还需要把数据分析和处理之后的结果写入存储器以备将来分析和使用，通常还需要把结果显示出来。
数据采集系统的数据与机器时间是一一对应的，一个数据唯一的对应一个数据，这就方便了数据查询和显示。
为了得到机器时间，本系统采用了晶振得到需要的机器时间。
为了让系统便于操作，按照需要和设定模式进行运行，那就需要人机交互装置——键盘。
从键盘发出指令，进入不同的模式，实现不同的功能。
测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。
显示装置的主要作用就是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。
目前常用的显示方式有模拟显示、数字显示、图像显示三种方式。
（l）模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。
但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。
（2）数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。
这类检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算机联机，使数据处理更加方便。
（3）图像显示是指用屏幕显示（CRT）读数或被测参数变化的曲线，主要用于计算机自动检测系统中。
如果被测量处于动态变化中，用一般的显示仪表读数就十分困难，这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。
本系统采用的是第二种方案，此方案设计简单，成本较低，实用于不同场所。
第3章数据采集系统硬件设计
在整个系统中硬件是基础，也是系统设计的基础，硬件系统的建立才使系统有运算的可能，硬件的参数决定了系统的技术参数。
本系统硬件包括数据采集模块、数据处理和存储模块。
3.1主要芯片介绍
在系统设计中，硬件系统设计和软件系统设计两者相互渗透，不可分离。
在硬件设计中尽量采用了功能强大的芯片，以减化电路，提高系统电路的集成度和可靠性。
功能强大的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，体积不断缩小，具有很高的性价比，是硬件设计的首选。
3.1.18051AH的功能特点
图3-18051AH管脚排列
MCS-51系列单片机是1980年Intel公司推出的8位单片机系列，由于它良好的性价比，此后其他一些公司也相继研制并生产MCS-51系列单片机8051及其兼容芯片。
因此，这个系列成为主流单片机。
它主要特性如下：
（1）具有两级中断优先处理能力，可管理5个中断源，且都有自动转入的中断入口地址；
（2）内含定时器/计数器，工作方式可编程选择；
（3）有32条I/O线，输入输出操作功能强，可直接带外设；
（4）布尔处理功能强，可扩展用途；
（5）内部RAM和寄存器有位寻址功能；
（6）外部具有独立的64K程序存储空间和64K数据存储空间；
（7）有全双工串行接口，波特率可编程设置；
（8）有多种型号，且不同型号的内部程序存储器不同，用户可根据需要选用。
管脚功能：
P0.7～P0.0：
P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。
在访问外部存储器时，它是数据总线和地址总线低8位分时复用的接口：
在EPROM编程时，在接收指令字节；在验证程序时，输出指令字节，并要求外接上拉电阻。
P1.7～P1.0：
P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，它是通用I/O端口。
在EPROM编程和程序验证时，它接受低8位地址。
P2.7～P2.0：
P2口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，它输出高8位地址；在对EPROM编程和程序验证时，接受高8位地址。
P3.7～P3.0：
P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，它是双功能I/O端口。
除基本输入/输出功能外每个引脚还有专用功能，其专用引脚功能：
P3.0：
RXD串行数据接收
P3.1：
TXD串行数据发送
P3.2：
INT0外部中断0请求输入
P3.3：
INT1外部中断1请求输入
P3.4：
T0定时器0外部计数脉冲输入
P3.5：
T1定时器1外部计数脉冲输入
P3.6：
WR外部数据存储器写信号
P3.7：
RD外部数据存储器读信号
RST/VPD：
复位引脚，这是一个双功能引脚，复位/备用电源：
复位功能RST：
单片机的复位是靠外部电路实现的。
在振荡信号正常运行情况下，只要RST引脚保持两个机器周期以上时间的高电平，系统复位。
备用电源功能VPD：
当Vcc掉电时，在Vcc下降到操作系统允许极限之前，RST/VPD引脚接上备用电源，向内部RAM供电，这时系统处于一种低功耗方式。
当Vcc恢复时，备用电源仍然保持一定时间，以便完成复位操作，然后重新开始工作。
XTAL1和XTAL2是MCS-51系列单片机的时钟引脚。
两引脚连接于单片机内部的一个高增益反向放大器，用于与外部振荡源一起构成振荡电路。
其中XTAL1为该放大器的输入引脚，XTAL2为该放大器的输出引脚。
ALE：
地址锁存信号，输出。
给应用系统中的地址锁存器提供锁存控制信号，实现地址/数据分时复用。
在每一个机器周期（MOVX指令除外）出现两个ALE正脉冲，当ALE为高电平时，地址锁存的输出随输入变化（这时P0口输出的是低8位地址信息）；当ALE有高电平变成低电平时，锁存器将地址锁定，即输出不再随输入变化（P0口可传送数据信息）。
另外，ALE信号还可以作为应用系统中频率要求较低的其他部件的时钟信号、计数信号等。
PROG：
片内程序存储器编程脉冲，输入。
对于EPROM型单片机，在对片内程序存储器编程时，该引脚输入编程脉冲信号。
：
外部程序存储器读写信号，输出，低电平有效。
由于MCS-51系列单片机外部程序和外部数据存储空间是独立的，但地址是重叠的，因此除了在指令上加以区分外，控制信号也有所不同。
、
是用于读/写数据存储器的，而
是用于读程序代码的，他在应用系统中接程序存储器的读控制端。
在访问外部程序存储器时，在每个机器周期，
两次有效。
：
内、外程序存储器选择信号。
当访问该地址范围的存储单元时，由于MCS-51系列单片机的片内程序存储器地址与片内程序是重叠的，所以用
引脚电平来区分是访问内部程序存储器，还是访问外部程序存储器。
当
=“1”时选择访问单片机内部的程序存储器；当
=“0”时选择访问外部的程序存储器。
Vpp：
片内程序存储器编程电压。
对于EPROM型单片机，在对片内EPROM编程时，Vpp引脚输入21V的编程电源电压。
Vcc：
+5V工作电压。
正常工作时Vcc引脚接+5V电源电压。
Vss：
接地端。
正常工作时Vss引脚接地。
3.1.2ADC0809的功能特点
图3-2ADC0809管脚排列
ADC0809数据采集元件是单片CMOS器件，具有8位模/数转换器、8通道的多路开关以及和微处理器相兼容的控制逻辑，这个8位A/D转换器使用逐位逼近作为转换技术。
该转换器的主要特点是：
具有一高阻抗斩波稳定比较器，带有模拟开关树的256R分压器、以及一逐位逼近寄存器，8个通道的模拟开关可以直接访问8个单端信号中的任何一个。
该器件取消了外部调零和满量程调整。
锁存及译码的多路地址输人和锁存的TTL三态输出使该器件易于和微处理器接口。
集许多A/D转换技术于一体，ADC0808和ADC0809的设计被优化，它们提供高速、高精度、最小温度相关性、极好的长期精度和可重复性以及最小功耗。
这些特点使该器件非常适合于从过程和机器控制到消耗装置及自动化的应用。
主要指标：
分辨率8位
线性误差士l/2LSB
单电源5VDC
低功耗15mw
转换时间100US
分辨率为1/28≈0.39%
模拟电压转换范围是0-+5V
标准转换时间为100s
各引脚功能如下：
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。
ALE：
地址锁存允许信号，输入高电平有效。
上升沿时锁存3位通道选择信号。
START：
启动A/D转换信号，输入高电平有效。
上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。
EOC：
转换结束信号，输出高电平有效。
OE：
输出允许信号，输入高电平有效。
该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。
D0～D7：
8位数字量输出。
D0为最低位，D7为最高位。
由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。
CLOCK：
外部时钟脉冲输入端。
当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。
VR+，VR-：
基准电压源正、负端。
取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。
Vcc：
工作电源，5VDC。
GND：
电源地
零点调整：
这是当输入电压是1/2LSB（满量程10.24V时为20mV），输出从11111111变为11111110。
在大多数情况下，可以在引脚5上接一1kΩ电位器来实现。
在引脚5和地之间接一475Ω电阻是实现零点调整的最好近似。
满量程调整：
这是当输入电压是满量程1/2LSB（10.24V量程时比满量程低60mV，输出从0000000l变为00000000。
没有调整时，ADC0809的这个电压在士1/2LSB范围内，在大多数情况下，在引脚15上加上1kΩ的电位器可实现这个调整。
3.1.3LF398芯片介绍
图3-3LF398AN（8）管脚排列
LF398是单片采样/保持器放大器，它使用BI-FET技术以获得快速捕捉信号的超高直流精度和低下降率。
作为一个单独的增益跟随器工作，其直流增益精度典型值为0.002%，采集时间低至6μS在0.01％精度时，一个双极性输入级用于实现低偏差电压和宽范围带宽。
用一个引脚来达到调整输人偏差，并且不降低输入偏差漂移。
宽范围带宽使LF198可放于1MHZ运算放大器反馈回路内，而不引起稳定性问题。
输人阻抗允许使用高源阻抗，而且不会使精度降低，使用1μF的保持电容，P通道结型场效应管与在输出放大器的两极性器件一起，实现低至5mV／分钟的下降率。
JFET比以前设计中所用的MOS器件具有更低的噪声，而且没有高温时的不稳定性。
总体设计确保在保持模式下，从输入到输出没有藕合，即使对输人信号等于电源电压的情况也是如此：
·工作在±5V～±18V电源下
·低于10us采集时间，与TTL,PMOS,CMOS逻辑输人兼容
·在Ck=0.01uF下，0.5mV的保持阶跃
·低输人偏差
·0.002％的增益精度
·在保持模式下的低输出噪声
LF398的逻辑输入是完全差分的，具有低输入电流，允许与TTL、PMOS和LMOS直接连接差分阀值为1.4V。
LM198的工作电源为±5V～±18V。
3.2功能模块电路设计
以8051为CPU设计一个单片机应用系统，在其外部扩展64KBSRAM，本系统数据采集模块以ADC0809为核心，LF398采样保持来实现一秒中采集8次数据，输出数字量直接与总线的数据线连接，从而挂在总线上的存储器，打印
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