【正文】 論，可以說(shuō)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基石。因此理解和掌握采樣定理對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著重要的意義。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常常需要對(duì)多組模擬量進(jìn)行采集，在模擬量信號(hào)變化周期不快的情況下就可以選用模擬多路開(kāi)關(guān)，這樣模數(shù)轉(zhuǎn)換電路就可以只選取一套從而降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。首先，對(duì)于采樣率高到一定程度的系統(tǒng)，很難用軟件和常規(guī)的微機(jī)接口對(duì)其采樣、轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行控制。 第四章：本章介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集模塊功能實(shí)現(xiàn)流程及一些子程序的設(shè)計(jì)和總體程序設(shè)計(jì)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章：本章首先介紹了課題研究的背景，然后介紹了本文所作的主要工作和本文結(jié)構(gòu)安排。 (4) 系統(tǒng)功耗逐漸降低，可擴(kuò)展性進(jìn)一步提高 [5]。目前，國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡市場(chǎng)由外國(guó)公司主導(dǎo)，高速和高精度數(shù) 據(jù)采集方面尤為突出。為了解決這一致命的缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集裝置開(kāi)始使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，如 CAN、 RS485 等總線(xiàn)，數(shù)據(jù)采集裝置在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程 PC 機(jī)處理，這種數(shù)據(jù)采集裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)程傳輸，但較低的傳輸速度限制了此類(lèi)數(shù)據(jù)采集裝置的應(yīng)用領(lǐng)域 [4]。這種數(shù)據(jù)采集卡需要插在 PC 機(jī)的 PCI 插槽上，所以需要將被測(cè)信號(hào)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳給 PC 機(jī)，進(jìn)而由 PC 機(jī)控制數(shù)據(jù)采集任務(wù)。經(jīng)過(guò)近年來(lái)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不斷應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集裝置質(zhì)量?jī)?yōu)良，工作穩(wěn)定可靠，基本上已達(dá)到國(guó)外數(shù)據(jù)采集器的中期水平。典型代表有單通道數(shù)據(jù)采集裝置 SP201 和 SC247 系列，雙通道數(shù)據(jù)采集裝置 EG3300 和 YE5938系列，小型數(shù)據(jù)采集裝置 902 和 921 系列，溫度、壓力數(shù)據(jù)采集裝置SMC9012 系列，大型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) eM3000 等。并行總線(xiàn)的代表為 VXI 和 PXI，適用于本地?cái)?shù)據(jù)采集，多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高性能的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。所使用的接口總線(xiàn)以 GPIB 為主要代表。目的是數(shù)據(jù)采集裝置使用中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，可以由對(duì)該數(shù)據(jù)采集裝置不是十分熟悉的人員進(jìn)行操作。因此數(shù)據(jù)采集裝置網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程化的要求也越來(lái)越受到重視。因此設(shè)計(jì)一款通用的高精度數(shù)據(jù)采集裝置就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)采集裝置在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，己滲透到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、地質(zhì)勘測(cè)、醫(yī)藥器械、電子通信、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，為人類(lèi)更好的獲取各種信息提供了便利的條件 [1]。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集裝置可獲得被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息，是研究 瞬間物理過(guò)程的有力工具 , 也是獲取科學(xué)奧秘的重要段之一。最后提出了關(guān)于 高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀(guān)點(diǎn)。并介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)本系統(tǒng)的主要芯片進(jìn)行了選型。嵌入式微處 理器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，可以滿(mǎn)足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的要求，為了便于開(kāi)發(fā)，有些微處理器還集成了 AD 和 DA 單元。除 了基本數(shù)據(jù)采集的功能外，還必須針對(duì)不同行業(yè)領(lǐng)域、不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)多種工作模式、多種量程范圍、多種控制方法、多種數(shù)據(jù)傳送和顯示方式以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能等，因此，數(shù)據(jù)采集儀器儀表的種類(lèi)繁多，更新的速度越來(lái)越快。數(shù)據(jù)采集可以說(shuō)是數(shù)字信號(hào)處理的核心，數(shù)據(jù)采集的好壞將直接影響未來(lái)的工作。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。將系統(tǒng)化分成各個(gè)功能單元并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行分析。單片機(jī)、 ARM、 DSP 等各種微處理器的廣泛應(yīng)用，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的平臺(tái)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速和高精度的采集以及對(duì)采集數(shù)據(jù)處理的研究和設(shè)計(jì)是本課題的主要任務(wù)。并提供了原理圖和總體電路圖，并編寫(xiě)了程序代碼，最后提出了關(guān)于高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀(guān)點(diǎn)。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。數(shù)據(jù)采集的目的在于測(cè)量電氣信號(hào)或物理量，如電壓、溫度、壓力、流量、液位等。通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能滿(mǎn)足專(zhuān)門(mén)的場(chǎng)合，這就迫使許多公司開(kāi)發(fā)出各種專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一些微處理器還集成了多種通訊接口和寄存器，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)模塊化的思想，將系統(tǒng)化分成各 個(gè)功能單元并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行分析。 第 1 章 緒論 課題的背景及研究意義 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集裝置具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了得到我們需要的數(shù)據(jù)，通常需要將一些由傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置，都是針對(duì)特定的要求研制開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用范圍窄。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是數(shù)據(jù)采集發(fā)展的另一個(gè)重要技術(shù)。 綜上可知，研究通用化高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以有效提高生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平，對(duì)于提高我國(guó)勞動(dòng)生產(chǎn)率和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的意義 [2]。裝置靈活性好，并且可以自動(dòng)規(guī)劃完成采集任 務(wù)。 80 年代后期，數(shù)據(jù)采集裝置主要由工控機(jī)、單片機(jī)和集成電路組成。 DAS 的分辨率可達(dá) 16 位，采樣速度達(dá)每秒幾十萬(wàn)次。串行總線(xiàn)以 RS485 和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) CAN 為代表，適用于遠(yuǎn)程工業(yè)控制領(lǐng)域，但這兩種數(shù)據(jù)采集裝置均存在數(shù)據(jù)吞吐率低的缺點(diǎn) [3]。生產(chǎn)廠(chǎng)家會(huì)為這些系統(tǒng)配備專(zhuān)用的軟件包。這些數(shù)據(jù)采集裝置的主控 CPU 主要采用單片機(jī)或 DSP，通信總線(xiàn)主 要為 PCI 總線(xiàn)或 ISA 總線(xiàn)。但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)到 PC 機(jī)的距離通常很長(zhǎng)。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，以 Inter 為代表網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用取得了前所未有的突破，數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)隨著 Inter 技術(shù)的發(fā)展取得了一定的成果。 目前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： (1) 利用各種微控制芯片來(lái)處理，采集速度越來(lái)越快，精度越來(lái)越高。 論文的主要內(nèi)容 本文以基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)為核心，并綜合應(yīng)用高精度數(shù)據(jù)采集方法和網(wǎng)絡(luò)通信接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于 ARM 的通用高精度數(shù)據(jù)采集裝置。 第二章：系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹及總體設(shè)計(jì)，講述數(shù)據(jù)采集的基本理論和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 7 第 2 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集的相關(guān)原理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本構(gòu)成 通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有硬件和軟件兩部分組成。在這種情況下，通常用硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制和采樣數(shù)據(jù)的同步；其次，如果系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)性要求高，必須采用高速緩存對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和高速 DS 芯片完成數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心部分，其性能決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能。數(shù)據(jù)采集就是指將時(shí)間和幅值上連續(xù)的模擬信號(hào)以周期性時(shí)間間隔截取，從而得到一串在時(shí)間上離散的信號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將其變換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。采樣脈沖信號(hào)在時(shí)間 T 間隔內(nèi)對(duì)原模擬信號(hào)進(jìn)行一次采樣，奈奎斯特定理指出要使采樣信號(hào)能不失真還原為原信號(hào)，就必須要求采樣頻率至少大于兩倍的原信號(hào)最高頻率。量化結(jié)果的位數(shù)是有限制的，必須經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方式處理，所以這就 帶來(lái)了量化誤差，量化誤差的具體值是由其結(jié)果所用的處理方式有關(guān)。它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是： (1) 實(shí)時(shí)性強(qiáng)。他是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要要求。 (4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，性能優(yōu)良。它 為手持設(shè)備和一般類(lèi)型應(yīng)用提供了高性?xún)r(jià)比和高性能的微控制器解決方案。同樣 S3C44B0X 還采用了一種新的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即SAMBAII(SAMSUNG ARM CPU 嵌入式微處理器總線(xiàn)結(jié)構(gòu) )。 模 擬 通 道 一多路開(kāi)關(guān)模 擬 通 道 八模 擬 通 道 二模 擬 通 道 七. . .電 壓 跟 隨 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換微處理器數(shù) 據(jù) 緩 存鍵 盤(pán)顯 示 22 高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路框圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程：傳感器輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的處理（包括隔離、變換、放大、濾波等各種處理）以滿(mǎn)足數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對(duì)輸入電平和信號(hào)質(zhì)量的要求，然后通過(guò)多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)選擇，選通的信號(hào)由高性能高速電壓反饋放大器 AD8021 的進(jìn) 一步的處理獲得更精確，精度更高的模擬信號(hào)，在微處理器的控制下模擬信號(hào)通過(guò) 16 位 逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7663 的轉(zhuǎn)換處理存入數(shù)據(jù)緩存，進(jìn)一步通過(guò) S3C44B0X 處理 11 器的控制的顯示、鍵盤(pán)模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換功能。 系統(tǒng)各模塊功能概述： (1) 多路開(kāi)關(guān)及信號(hào)調(diào)理模塊 模擬多路開(kāi)關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，通常在多路被 測(cè)信號(hào)共用一路 A/D 轉(zhuǎn)換器的采集系統(tǒng)中用來(lái)把多路信號(hào)有條理的傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器中去，以完成多路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。多開(kāi)關(guān)由微處理器 S3C44B0X 進(jìn)行控制選擇。但 高數(shù)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率很高并且數(shù)據(jù)量很大，采集速度達(dá)到一定的限度就無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)分 析和 處 理 ，所 以 合 適的 存 儲(chǔ) 器顯 得 很 有必 要 。一旦處理器判定有一個(gè)鍵被按下，鍵盤(pán)掃描程序就會(huì)濾掉抖動(dòng)，然后再判定是哪個(gè)鍵被按下。本設(shè)計(jì)設(shè)置了 LCD 液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊與S3C44B0X 的連接模式，包括接口方式，寄存器的編程。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求 [7]。 多路開(kāi)關(guān)及信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 信號(hào)調(diào)理模塊 信號(hào)采集系統(tǒng)中，絕大多數(shù)模擬量輸入都帶有大量的噪聲不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中去，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。 MAX291 是濾波器，截止頻率其由電容 C1 決定。 帶串行接口的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路（ ADC），它包含有跟蹤 /保持電路的一個(gè) 低漂移 、 低 噪聲、掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)電源。 A01EN2I N 14I N 25I N 36I N 47O U T8I N 89I N 710I N 611I N 512A215A116M A X 3 0 8 E P E ( 1 6 )U inU inU inU inU inG PG 1G PG 2+5G PG 0U inU inU in 圖 32 多路開(kāi)關(guān) MAX308 IN1~IN8 是模擬 輸入通道，模擬信號(hào)由此輸入 。通道值的選擇與 A0， A1， A2 的邏輯值有關(guān)，如表31 示。本設(shè)計(jì)采用的是，本模塊的設(shè)計(jì)目的就是為了實(shí)現(xiàn)這功能 [9]。5V） 最低的產(chǎn)品。輸出禁用引腳可以將靜態(tài)電源電流進(jìn)一步降低至 mA。C～ +85176。 基準(zhǔn)電壓源 ADR421 高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要精準(zhǔn)可靠的基準(zhǔn)電壓， ADR421 是基于XFET 技術(shù)的基準(zhǔn)電壓源，具有極高的精度和極低的噪聲，可想 AD7663輸出穩(wěn)定的 基準(zhǔn)電壓電，電路圖如圖 34 示。其中，積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如 50Hz 或 60Hz）的能力，使其對(duì)于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用有用（如熱電偶輸出的量化）。并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器原理直觀(guān)，轉(zhuǎn)換速度極快（最高 1GHz 的采樣速率），常用于數(shù)字通信和高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。通常選擇逐次逼近型或并 行比較型 AD 轉(zhuǎn)換器。因此，必須用阻抗極低的信號(hào)源來(lái)驅(qū)動(dòng) AD7663 的輸入端，這里選用了信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器AD8021。 A D 8 0 2 1A D R 4 2 1A D 7 6 6 3 D [ 0 1 5 ] / C N V S T B U S Y / C S / R D R E S E TS 3 C 4 4 B 0 X D A T A [ 0 1 5 ]n C A S 0G P G 3n G C S 3n O En R E S E T I N O U T+ 5 V V o u tI NV i n 圖 36 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路 AD7663 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，它支持串行和并行方式輸出，在本設(shè)計(jì)中 AD7663 與 S3C44B0X 以 16 位并行總線(xiàn)的方式連接。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7663 介紹 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7663 的主要特點(diǎn)如下： (1) 16 位的采樣保持功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器； (2) 250kHz 的采樣速率，信噪比達(dá)到 90dB； (3) 多種信號(hào)輸入范圍： 0~、 0~5V、 0~10V、177。 (4) 5V 的單模擬電源供電； (5) 提供串行接口、并行接口兩種輸 。此時(shí)，只需將 RD置低，系統(tǒng)控制器就可以將數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)取走，從而最終完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖中各部分說(shuō)明如下：為 AD7663 提供 的模擬電壓基準(zhǔn)，并利用AD8301 對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行跟隨處理，減少電壓波動(dòng)對(duì)采樣信號(hào)的影響。輸出接口方式： AD7663 提供了串行口輸出和并行口輸出兩種接口方式。 高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)要解決兩方面的問(wèn)題，一是存儲(chǔ)器的低存儲(chǔ)速度與 A/D 轉(zhuǎn)換