【正文】 論文） 1 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)革命將把人類由工業(yè)化社會(huì)推進(jìn)到信息化社 會(huì)，以數(shù)據(jù)存 儲(chǔ) 為主要內(nèi)容的 數(shù)據(jù)采集測試 技術(shù)，已形成了一門專門的技術(shù)科學(xué)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制、狀態(tài)監(jiān)測，還是故障診斷、 質(zhì)量檢測，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需要的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。 存儲(chǔ)測試系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAS)，包括數(shù)據(jù)采集記錄硬件和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理軟件；一般情況下，將信息量化采集后先存入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等任務(wù)執(zhí)行完后再 進(jìn)行事后的數(shù)據(jù)讀取和分析；數(shù)據(jù)采集記錄硬件部分在工作完成后進(jìn)行回收，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀。 一個(gè)大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、分析和顯示等。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展離不開傳感器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化測量、采集和控制是其發(fā)展的必然趨勢。數(shù)據(jù)采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測等各個(gè)領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 緒論 課題的研究 課題的 提出 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、控制和科學(xué)研究中，對各種現(xiàn)場 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸并處理已是必不可少的組成部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它主要完成數(shù)據(jù)信息的采集、 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后通過藍(lán)牙接口電路將處理后的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理 ,實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、控制功能 。目前，以這樣的系統(tǒng)為核心的設(shè)備在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，比如工業(yè)生產(chǎn)中的液位、溫度、壓力、頻率等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；生物醫(yī)學(xué)方面的電生理信號的采集系統(tǒng)，機(jī)場、商場、交通等重要的場所安裝的監(jiān)控設(shè)備、視頻會(huì)議、可視電話等多媒體設(shè)備等 [1]。 以前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，處理器一般采用單片機(jī)，單片機(jī)價(jià)格比較低廉、結(jié)構(gòu)簡單、接口擴(kuò)展能 力強(qiáng)。但很明顯的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)運(yùn)算能力差，對于實(shí)時(shí)性要求高、傳輸率要求快、對信號的數(shù)學(xué)處理比較復(fù)雜的領(lǐng)域來說，單片機(jī)就顯得力不從心了。 在電路設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)多采用分離式的元器件，這樣的的系統(tǒng)，體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)調(diào)試周期長，而且穩(wěn)定性和抗干擾性都比較差。 同樣在和上位機(jī) PC 之間的數(shù)據(jù)傳輸問題上， 有大量的 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 傳輸電路 ， 而藍(lán)牙 數(shù)據(jù)傳輸則實(shí)現(xiàn)了無線傳輸。 本論文著眼于開發(fā)一種能滿足集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸功能的通用型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) [2]。 研究的可行性 在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天， FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）應(yīng)用已十分廣泛，它們隨著 EDA 技術(shù)的發(fā)展而成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要角色。由于該器件可以通過軟件編程而對其硬件的結(jié)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu) ，硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷，極大的改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程，乃至設(shè)計(jì)觀念。借助于大規(guī)模集成的可編程邏輯器件和搞笑的設(shè)計(jì)軟件，用戶不僅可通過直接對芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度；同時(shí)，這種基于可編程邏輯器件芯片的設(shè)計(jì)大大減 少了系統(tǒng)芯片的數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性 [23]。 藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信得無線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效的簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功的簡化設(shè)備與因特網(wǎng) Inter 之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。 1998 年 5 月，愛立信、諾基亞、東芝、 IBM 和英特爾公司等五家著名廠商，在聯(lián)合開展短程無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)時(shí)提出了藍(lán)牙技術(shù)，其宗旨是提供一 種短距離、低成本的無線傳輸應(yīng)用技術(shù)。藍(lán)牙 具有很多優(yōu)勢： 1. 全球可用 2. 設(shè)備范圍 3. 易于使用 4. 全球通用的規(guī)格 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面的發(fā)展前景 近幾年， Inter 網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，各式各樣的網(wǎng)概念個(gè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如電子商務(wù)（ B2B、 B2C 等）、對等網(wǎng)絡(luò)（ P2P）、 Net、移動(dòng)電子商務(wù)、無所不在的電子計(jì)算等等，他們改變著人們的生活和工作，同時(shí)也深刻的影響著工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種采集、控制、監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ Date Acquisition System,簡稱 DAS）目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域存在大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)支持著工業(yè)領(lǐng)域，如電力、軍事、通信等各種生產(chǎn)的正常運(yùn)行。具體應(yīng)用如水、電、煤氣調(diào)度 SCADA系統(tǒng)，電力變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等。在這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中訪問裝置數(shù)據(jù)源是必須的功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ) [4]。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是存儲(chǔ)測試技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是以傳感器、信號測量與處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的使用性。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用 于 工業(yè)控制 系統(tǒng) 、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測自動(dòng)試系統(tǒng)、智能儀器儀表、遙感遙測、通訊設(shè)備、機(jī)器人、高檔家電 等方面。 可以預(yù)見，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、無損監(jiān)測、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程眾多領(lǐng)域 發(fā)揮更大的作用 。特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化可以更好地協(xié)調(diào)工作，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，勢必推動(dòng)數(shù)據(jù)采集在更加廣闊的領(lǐng)域應(yīng)用 [5]。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 方案 根據(jù)課題的要求，提出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)框圖如 圖 21 所示 。 溫 度 傳感 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器 F P G A 藍(lán) 牙P C 上 位機(jī)圖 21 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 整個(gè)系統(tǒng)由信號采集模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、中心控制模塊 FPGA、藍(lán)牙模塊及外圍電路組成。 信息采集模塊是存儲(chǔ)測試中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著獲取信息的質(zhì)量和采集測試的精度。模擬信號的采集電路通常由跟隨器、模擬開關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、緩沖器等部分組成。被采集的信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入存儲(chǔ)器。電路的整個(gè)時(shí)序由邏輯控制模塊協(xié)調(diào)控制。 主控制模塊由 FPGA 及其外圍電路組成。 FPGA 是控制模塊的核心部分。主要完成 A/D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘選取、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算以及相應(yīng)的控制邏輯、實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)的通信等控制任務(wù)。 藍(lán)牙模塊主要完成 FPGA 與 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸， 由藍(lán)牙模塊及相應(yīng)的電路組成 [5]。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 22 所示 。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 模 擬 信號電 壓 跟隨 器模 擬 開關(guān)A / D 轉(zhuǎn)換 器F P G A 中 心 控制 電 路存 儲(chǔ) 器藍(lán) 牙模 塊藍(lán) 牙 模塊P C 上 位機(jī)藍(lán) 牙 模塊圖 22 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) FPGA 與 PC 機(jī)的通信 圖如圖 23 所示。 F P G A M A X 2 3 2R S 2 3 2R O K 1 0 1 0 0 7P C 機(jī)R S 2 3 2R S 2 3 2R O K 1 0 1 0 0 7M A X 2 3 2 圖 23 FPGA 與 PC 機(jī)通信 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計(jì)圖及仿真圖 由各個(gè) VerilogHDL 功能圖組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及傳輸如下圖 24 所示。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 24 數(shù)據(jù)傳輸 由 24 圖導(dǎo)出的 QuartusII 仿真圖如下 25 圖所示。 圖 25 數(shù)據(jù)傳輸仿真洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 3 章 溫度傳感器模塊 溫度 傳感器型號 1. 接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱 溫度計(jì) 。溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對象的溫度。一 般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會(huì)產(chǎn)生較大的 測量誤差 ，常用的溫度計(jì)有 雙金屬溫度計(jì) 、 玻璃液體溫度計(jì) 、 壓力式溫度計(jì) 、 電阻溫度計(jì) 、熱敏電阻和 溫差電 偶 等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和 超導(dǎo)技術(shù) 的研究，測量 120K 以下溫度的 低溫溫度計(jì) 得到了發(fā)展，如低溫 氣體溫度計(jì) 、蒸汽壓溫度計(jì)、 聲學(xué)溫度計(jì) 、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取５蜏販囟扔?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量 ～300K 范圍內(nèi)的溫度。 2. 非接觸式溫度傳感器 它的 敏感元件 與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫 儀表 。這種儀表可用來測量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的 表面溫度 ，也可用于測量溫度場的溫度分布。常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計(jì) ）、輻射法（見 輻射高溫計(jì) ）和比色法（見 比色溫度計(jì) ）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實(shí)溫度。如欲測定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和 波長 ，而且還與表面狀態(tài) 、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 此很難精確測量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或 坩堝 中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動(dòng)測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利 用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實(shí)測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實(shí)溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)式中 ε 為材料表面發(fā)射率， ρ為反射鏡的反射率。至于 氣體 和 液體 介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。 非接觸測溫優(yōu)點(diǎn)：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于 1800℃ 以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著 紅外技 術(shù) 的發(fā)展，輻射測溫 ， 逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)展，700℃ 以下直至常溫都已采用，且 分辨率 很高。 3. 模擬溫度傳感器 傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和 RTDS 對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償； 熱慣性 大，響應(yīng)時(shí)間 慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、 線性度 好、響應(yīng)速度 快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將 驅(qū)動(dòng)電路 、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片 IC 上，有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見的模擬溫度傳感器有 LM391 LM33 LM4 AD22103 電壓 輸出型、 AD590電流輸出型。這里主要介紹該類器件的幾個(gè)典型 ，如下： (1)AD590 溫度傳感 器 。 (2)LM135/235/335 溫度傳感器 。 4. 邏輯輸出型溫度傳感器 在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴(yán)格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個(gè)設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號，啟動(dòng)或洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 關(guān)閉 風(fēng)扇 、 空調(diào) 、 加熱器 或其它控制設(shè)備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。 LM5 MAX6501MAX650 MAX6509/6510 是其典型代表。 (1)LM56 溫度開關(guān) 。 (2)MAX6501/02/03/04 溫度監(jiān)控開關(guān) 。 5. 數(shù)字式溫度傳感器 (1) MAX6575/76/77 數(shù)字溫度傳感器 。 (2)可多點(diǎn)檢測、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感