【正文】 以通過(guò)后級(jí)增益調(diào)整和非線性校正補(bǔ)償。此外，由于限幅值比最大值輸入值高，當(dāng)使用多路開(kāi)關(guān)時(shí)，某一路超限時(shí)可能影響其他路，需要選用優(yōu)質(zhì)模擬開(kāi)關(guān)如AD7501。共模電壓的存在對(duì)模擬信號(hào)的處理有影響。高的共模電壓會(huì)擊穿器件，即使沒(méi)有損壞器件，也會(huì)影響測(cè)量的精度。隔離是克服共模干擾影響的有效措施。常用的隔離方法有：光電隔離，采用隔離放大器等。3 基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常需要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。但傳統(tǒng)的采集方式是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡，采用這種方式不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線的出現(xiàn)，很好地解決了上述這些沖突，很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這不僅能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)有利于系統(tǒng)的維護(hù)。本USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用了A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、溫度控制技術(shù)、微處理器和USB技術(shù)，是伴隨著USB技術(shù)的迅速發(fā)展與新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)接口(USB口)發(fā)送到PC機(jī)并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，其波形保真性能與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、分辨率與精度密切相關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換速率越高，復(fù)現(xiàn)的波形的分辨率也就越高：A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，精度越高，波形保真性越高。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中溫度控制技術(shù)、USB技術(shù)和數(shù)據(jù)采集波形的實(shí)現(xiàn)由第三方設(shè)計(jì)完成，這里不在介紹。USB芯片CPU芯片USB接頭數(shù)據(jù)控制串行數(shù)據(jù)USB總 線主機(jī)USB 接口溫度采集電路數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)命令數(shù)據(jù)控制圖2 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要是由A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、電壓跟隨器等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:微處理器11路模擬輸入信號(hào)電壓跟隨器數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換 器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖中可知，11路模擬輸入信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器濾波后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器把經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB控制芯片輸出給計(jì)算機(jī)，同時(shí)可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示；而USB主機(jī)及顯示部分則通過(guò)輸出接口在PC機(jī)上顯示，采用軟件來(lái)模擬顯示輸入信號(hào)的波形。同時(shí)可以控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟停、數(shù)據(jù)存取器的存取、USB外設(shè)芯片的工作、顯示圖形的放大和縮小等。 硬件電路的芯片選擇在選擇一個(gè)芯片時(shí)，用戶一般考慮的是芯片含有的功能、價(jià)位、是否容易取得以及是否容易開(kāi)發(fā)等因素。一個(gè)芯片是否容易開(kāi)發(fā)，視開(kāi)發(fā)工具是否容易取得及其品質(zhì)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，有無(wú)示例程序代碼，以及對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)等的了解而定，下面對(duì)本系統(tǒng)中芯片的選擇作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。 單片機(jī)芯片選擇本設(shè)計(jì)中我們采用了Philips公司推出的增強(qiáng)型80C51單片機(jī)P89C51RA2，此芯片包含8K可并行可編程的非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件串行系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP)。在系統(tǒng)編程 ISP(InSystem Programming)，當(dāng)MCU安裝在用戶板上時(shí)允許用戶下載新的代碼。在應(yīng)用中編程 IAP(InApplication Programming)，MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對(duì)自己重新編程，這種方法允許通過(guò)調(diào)制解調(diào)器連接進(jìn)行遠(yuǎn)程編程片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)的串行加載程序Boot Loader允許。ISP 通過(guò)UART將程序代碼裝入Flash存儲(chǔ)器而Flash代碼中則不需要加載程序，對(duì)于IAP用戶程序通過(guò)使用片內(nèi)ROM中的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)lash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除和重新編程 該器件可通過(guò)并行編程或在系統(tǒng)編程的方法對(duì)一個(gè)Flash位進(jìn)行編程，從而選擇6時(shí)鐘或12時(shí)鐘模式。此外也可通過(guò)時(shí)鐘控制寄存器CKCON中的X2位選擇6時(shí)鐘或12時(shí)鐘模式，另外當(dāng)處于6時(shí)鐘模式時(shí)外圍功能可以選擇一個(gè)機(jī)器周期6時(shí)鐘或是12時(shí)鐘，這是通過(guò)CKCON寄存器進(jìn)行選擇的。該系列微控制器是 80C51 微控制器的派生器件是采用先進(jìn)CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統(tǒng)與80C51完全相同。該器件有4組8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多中斷源4中斷優(yōu)先級(jí)嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)增強(qiáng)型 UART 片內(nèi)振蕩器及時(shí)序電路和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)64K、PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)、硬件看門(mén)狗定時(shí)器。新增的特性使得P89C51RA2成為功能更強(qiáng)大的微控制器，從而更好地支持需要用到脈寬調(diào)制，高速I(mǎi)/O，遞增/遞減計(jì)數(shù)功能(如電機(jī)控制)等應(yīng)用場(chǎng)合。 模—數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇近年來(lái)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展很快，在功能增強(qiáng)、功耗降低的同時(shí)轉(zhuǎn)換速度也極大地提高，轉(zhuǎn)換頻率從幾百kHz提高到幾十MHz，而且芯片也較廉價(jià)，使用也日益廣泛。其A/D轉(zhuǎn)換器的種類也越來(lái)越多，目前使用廣泛的有:逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、余數(shù)反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器和∑—?式A/D轉(zhuǎn)換器等等。(1) 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：速度高，外用元器件也不多，大多數(shù)單片集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片多采用此種方式。但對(duì)快速變化的輸入信號(hào)應(yīng)配備采樣保持器才能保證轉(zhuǎn)換精度的要求。此外，A/D轉(zhuǎn)換器本身對(duì)輸入信號(hào)中的噪聲無(wú)抑制作用，必須采用外加軟硬件抗干擾措施，才能抑制輸入信號(hào)中大部分隨機(jī)干擾。(2) 余數(shù)反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器：這種轉(zhuǎn)換方式分辨率很高，量化誤差小，轉(zhuǎn)換精度高。這種轉(zhuǎn)換方式的速度主要受兩個(gè)因素的限制：一是每次循環(huán)進(jìn)行電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換的時(shí)間；二是余數(shù)模擬電壓的建立時(shí)間。目前，采用這種方式的A/D芯片，通過(guò)輔之以一些另外的技術(shù)措施，其轉(zhuǎn)換速度還是比較快的。(3) 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編碼方便，但轉(zhuǎn)換速率低，常用于速度要求不高，精度要求較高的測(cè)量?jī)x器儀表中。(4) V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器:由于應(yīng)用了積分電容，具有很好的抗干擾性能、良好的線性度和高的分辨率，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，在一些非快速的檢測(cè)信道中愈趨向使用V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器代替通常的A/D轉(zhuǎn)換器。(5) ∑—?式A/D轉(zhuǎn)換器:它兼有反饋比較和積分式的特征，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，量化噪聲小、分辨率高和線性度好的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換速率也高于積分式ADC，因此，∑—?式A/D轉(zhuǎn)換器是用于戶外智能儀器儀表和工業(yè)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)控制的優(yōu)先選擇。在本系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際需要和性價(jià)比綜合考慮，采用了TI公司生產(chǎn)的TLC2543C，11路12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近串行A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率為66 kbit /s，在工作溫度范圍內(nèi)10us轉(zhuǎn)換時(shí)間。具有三個(gè)控制輸入端：片選，輸入/輸出時(shí)鐘I/O CLOCK以及地址輸入端AD_DIN。它還可以通過(guò)一個(gè)串行的3態(tài)輸出端AD_OUT與主處理器或其外圍的串行口通訊，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。本器件可以從主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，本器件有一個(gè)片內(nèi)的14通道多路器可以在11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試(SELFTEST)電壓中任意選擇一個(gè)。采樣保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。本器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。此多通道，小體積的TLC2543C器件，線性誤差小 (177。1 LSB max)，節(jié)省I/O資源，成本較低，特別適用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。TLC2543的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 TLC2543內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TLC2543內(nèi)部由通道選擇器、輸入地址寄存器、采樣保持電路、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸出寄存器、并→串轉(zhuǎn)換器以及控制邏輯電路等7個(gè)部分組成。通道選擇器根據(jù)輸入地址寄存器中存放的地址選擇輸入通道，并將輸入通道中的信號(hào)送到采樣保持電路中，然后在12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器中將采樣的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存放到輸出寄存器中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)并行→串行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，由AD_OUT端輸出到微處理器中。 TLC2543和單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)在80C51系列微處理器中都不帶SPI或相同的接口能力，為了和TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口，需要用軟件來(lái)合成SPI的操作，這樣數(shù)據(jù)傳送速率下降，受微處理器指令周期時(shí)間控制，因而受微處理器的時(shí)鐘頻率影響。因此要盡可能選擇微處理器的最高始終頻率，以減小指令周期時(shí)間，優(yōu)化接口數(shù)據(jù)傳輸速率。如圖5所示，TLC2543和單片機(jī)的接口電路。TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)束端EOC、I/O時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入端AD_DIN、串行數(shù)據(jù)輸出端AD_OUT片選CS分別連接單片機(jī)的并行雙向I/、。圖5 TLC2543與單片機(jī)的接口電路圖在設(shè)計(jì)制作時(shí)要注意事項(xiàng)：(1)電源去耦當(dāng)使用TLC2543這種12位A/D器件時(shí)，用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境中，建議每個(gè)電源和陶瓷電容端并聯(lián)一個(gè)10μF的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。(2)接地對(duì)模擬器件和數(shù)字器件，電源的地線回路必須分開(kāi)，以防止數(shù)字部分的噪聲電流通過(guò)模擬地回路引入，產(chǎn)生噪聲電壓，從而對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾。所有的地線回路都有一定的阻抗，因此地線要盡可能寬或用地線平面，以減小阻抗，連線應(yīng)當(dāng)盡可能短，如果使用開(kāi)關(guān)電源，則開(kāi)關(guān)電源要遠(yuǎn)離模擬器件。(3)電路板布線使用TLC2543時(shí)一定要注意電路板的布線，電路板的布線要確保數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)隔開(kāi)，模擬線和數(shù)字線特別是時(shí)鐘信號(hào)線不能互相平行，也不能在TLC2543芯片下面布數(shù)字信號(hào)線。 電壓跟隨器的設(shè)計(jì)電壓跟隨器由3個(gè)LM324四運(yùn)放電路和若干個(gè)電阻和電容設(shè)計(jì)而成的。在我們開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候采用的是LM084芯片，但是在調(diào)試電路的時(shí)候發(fā)現(xiàn)LM084發(fā)熱量太大，在檢查電路沒(méi)有問(wèn)題的情況下，由于LM324發(fā)熱量相對(duì)較小而且功能基本相同，所以最后采用了LM324。下面簡(jiǎn)要介紹一下LM324。 LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖 6所示的