【正文】 論，可以說是整個數據采集技術的基石。因此理解和掌握采樣定理對數據采集系統(tǒng)有著重要的意義。數據采集系統(tǒng)中常常需要對多組模擬量進行采集，在模擬量信號變化周期不快的情況下就可以選用模擬多路開關，這樣模數轉換電路就可以只選取一套從而降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。首先，對于采樣率高到一定程度的系統(tǒng)，很難用軟件和常規(guī)的微機接口對其采樣、轉換過程進行控制。 第四章：本章介紹了數據采集系統(tǒng)的軟件設計，數據采集模塊功能實現流程及一些子程序的設計和總體程序設計。本文的主要研究內容如下： 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構安排。 (4) 系統(tǒng)功耗逐漸降低，可擴展性進一步提高 [5]。目前，國內的數據采集卡市場由外國公司主導，高速和高精度數 據采集方面尤為突出。為了解決這一致命的缺點，數據采集裝置開始使用現場總線技術，如 CAN、 RS485 等總線，數據采集裝置在工業(yè)現場采集數據并通過現場總線將數據傳輸到遠程 PC 機處理，這種數據采集裝置的優(yōu)點是可以遠程傳輸，但較低的傳輸速度限制了此類數據采集裝置的應用領域 [4]。這種數據采集卡需要插在 PC 機的 PCI 插槽上，所以需要將被測信號從工業(yè)現場傳給 PC 機，進而由 PC 機控制數據采集任務。經過近年來在工業(yè)現場的不斷應用，數據采集裝置質量優(yōu)良，工作穩(wěn)定可靠，基本上已達到國外數據采集器的中期水平。典型代表有單通道數據采集裝置 SP201 和 SC247 系列，雙通道數據采集裝置 EG3300 和 YE5938系列，小型數據采集裝置 902 和 921 系列，溫度、壓力數據采集裝置SMC9012 系列，大型多通道數據采集系統(tǒng) eM3000 等。并行總線的代表為 VXI 和 PXI，適用于本地數據采集，多應用于軍事領域。隨著集成電路技術的發(fā)展，出現了高性能的單片數據采集系統(tǒng)（ DAS）。所使用的接口總線以 GPIB 為主要代表。目的是數據采集裝置使用中不依靠相關的測試文件，可以由對該數據采集裝置不是十分熟悉的人員進行操作。因此數據采集裝置網絡化和遠程化的要求也越來越受到重視。因此設計一款通用的高精度數據采集裝置就顯得尤為重要。數據采集裝置在各個領域被廣泛應用，己滲透到了工業(yè)現場、地質勘測、醫(yī)藥器械、電子通信、航空航天等各個領域，為人類更好的獲取各種信息提供了便利的條件 [1]。在科學研究中，應用數據采集裝置可獲得被測對象的動態(tài)信息，是研究 瞬間物理過程的有力工具 , 也是獲取科學奧秘的重要段之一。最后提出了關于 高速高精度數據采集系統(tǒng)設計的觀點。并介紹了數據采集系統(tǒng)的國內外研究現狀和發(fā)展趨勢，對本系統(tǒng)的主要芯片進行了選型。嵌入式微處 理器的功能越來越強大，可以滿足大部分數據采集的要求，為了便于開發(fā)，有些微處理器還集成了 AD 和 DA 單元。除 了基本數據采集的功能外，還必須針對不同行業(yè)領域、不同的現場環(huán)境實現多種工作模式、多種量程范圍、多種控制方法、多種數據傳送和顯示方式以及實時時鐘的功能等，因此，數據采集儀器儀表的種類繁多，更新的速度越來越快。數據采集可以說是數字信號處理的核心，數據采集的好壞將直接影響未來的工作。本人授權 大學可以將 本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。將系統(tǒng)化分成各個功能單元并對各個功能模塊進行分析。單片機、 ARM、 DSP 等各種微處理器的廣泛應用，為數據采集系統(tǒng)提供了一個有效的平臺。對信號進行高速和高精度的采集以及對采集數據處理的研究和設計是本課題的主要任務。并提供了原理圖和總體電路圖，并編寫了程序代碼，最后提出了關于高速高精度數據采集系統(tǒng)設計的觀點。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。數據采集的目的在于測量電氣信號或物理量，如電壓、溫度、壓力、流量、液位等。通用的數據采集系統(tǒng)不能滿足專門的場合，這就迫使許多公司開發(fā)出各種專用的數據采集系統(tǒng)。一些微處理器還集成了多種通訊接口和寄存器，可以根據不同的場合進行擴展。根據模塊化的思想，將系統(tǒng)化分成各 個功能單元并對各個功能模塊進行分析。 第 1 章 緒論 課題的背景及研究意義 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，數據采集裝置具有越來越廣泛的應用領域。在生產實踐中，為了得到我們需要的數據，通常需要將一些由傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號。 傳統(tǒng)的數據采集裝置，都是針對特定的要求研制開發(fā)的，應用范圍窄。網絡化技術是數據采集發(fā)展的另一個重要技術。 綜上可知，研究通用化高精度數據采集技術和網絡技術，可以有效提高生產管理的自動化水平，對于提高我國勞動生產率和推動經濟發(fā)展具有非常重要的意義 [2]。裝置靈活性好，并且可以自動規(guī)劃完成采集任 務。 80 年代后期，數據采集裝置主要由工控機、單片機和集成電路組成。 DAS 的分辨率可達 16 位，采樣速度達每秒幾十萬次。串行總線以 RS485 和現場總線 CAN 為代表，適用于遠程工業(yè)控制領域，但這兩種數據采集裝置均存在數據吞吐率低的缺點 [3]。生產廠家會為這些系統(tǒng)配備專用的軟件包。這些數據采集裝置的主控 CPU 主要采用單片機或 DSP，通信總線主 要為 PCI 總線或 ISA 總線。但是工業(yè)現場環(huán)境較為復雜，工業(yè)現場到 PC 機的距離通常很長。 進入 21 世紀，以 Inter 為代表網絡通信技術發(fā)展和應用取得了前所未有的突破，數據采集的網絡傳輸技術隨著 Inter 技術的發(fā)展取得了一定的成果。 目前國內外數據采集系統(tǒng)具有以下特點： (1) 利用各種微控制芯片來處理，采集速度越來越快，精度越來越高。 論文的主要內容 本文以基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)為核心，并綜合應用高精度數據采集方法和網絡通信接口技術，實現了基于 ARM 的通用高精度數據采集裝置。 第二章：系統(tǒng)相關技術介紹及總體設計，講述數據采集的基本理論和數據采集系統(tǒng)的總體設計。 7 第 2 章 數據采集系統(tǒng)的總體設計 數據采集的相關原理 數據采集系統(tǒng)基本構成 通用的數據采集系統(tǒng)有硬件和軟件兩部分組成。在這種情況下，通常用硬件實現轉換過程的控制和采樣數據的同步；其次，如果系統(tǒng)的實 時性要求高，必須采用高速緩存對數據進行存儲和高速 DS 芯片完成數字信號的實時處理。其中模數轉換器是數據采集系統(tǒng)中的核心部分，其性能決定了數據采集系統(tǒng)所能實現的功能。數據采集就是指將時間和幅值上連續(xù)的模擬信號以周期性時間間隔截取，從而得到一串在時間上離散的信號，然后通過模數轉換將其變換為數字信號的過程。采樣脈沖信號在時間 T 間隔內對原模擬信號進行一次采樣，奈奎斯特定理指出要使采樣信號能不失真還原為原信號，就必須要求采樣頻率至少大于兩倍的原信號最高頻率。量化結果的位數是有限制的，必須經過數學方式處理，所以這就 帶來了量化誤差，量化誤差的具體值是由其結果所用的處理方式有關。它的主要設計目標是： (1) 實時性強。他是系統(tǒng)設計的一個重要要求。 (4) 結構簡單，功耗低，性能優(yōu)良。它 為手持設備和一般類型應用提供了高性價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結構，即SAMBAII(SAMSUNG ARM CPU 嵌入式微處理器總線結構 )。 模 擬 通 道 一多路開關模 擬 通 道 八模 擬 通 道 二模 擬 通 道 七. . .電 壓 跟 隨 模 數 轉 換微處理器數 據 緩 存鍵 盤顯 示 22 高速高精度數據采集系統(tǒng)的電路框圖 數據采集系統(tǒng)工作流程：傳感器輸入的模擬信號經過信號調理電路的處理（包括隔離、變換、放大、濾波等各種處理）以滿足數模轉換芯片對輸入電平和信號質量的要求，然后通過多路開關進行信號選擇，選通的信號由高性能高速電壓反饋放大器 AD8021 的進 一步的處理獲得更精確，精度更高的模擬信號，在微處理器的控制下模擬信號通過 16 位 逐次漸近型模數轉換器 AD7663 的轉換處理存入數據緩存，進一步通過 S3C44B0X 處理 11 器的控制的顯示、鍵盤模塊實現人機交換功能。 系統(tǒng)各模塊功能概述： (1) 多路開關及信號調理模塊 模擬多路開關是數據采集系統(tǒng)的一個重要部分，通常在多路被 測信號共用一路 A/D 轉換器的采集系統(tǒng)中用來把多路信號有條理的傳送到 A/D 轉換器中去，以完成多路信號的數據采集。多開關由微處理器 S3C44B0X 進行控制選擇。但 高數高精度數據采集系統(tǒng)的數據傳輸率很高并且數據量很大，采集速度達到一定的限度就無法進行實時分 析和 處 理 ，所 以 合 適的 存 儲 器顯 得 很 有必 要 。一旦處理器判定有一個鍵被按下，鍵盤掃描程序就會濾掉抖動，然后再判定是哪個鍵被按下。本設計設置了 LCD 液晶顯示驅動模塊與S3C44B0X 的連接模式，包括接口方式，寄存器的編程。實現了設計要求 [7]。 多路開關及信號調理模塊設計 信號調理模塊 信號采集系統(tǒng)中，絕大多數模擬量輸入都帶有大量的噪聲不能直接輸入到模數轉換器中去，需要對信號進行調理。 MAX291 是濾波器，截止頻率其由電容 C1 決定。 帶串行接口的 16 位模數轉換集成電路（ ADC），它包含有跟蹤 /保持電路的一個 低漂移 、 低 噪聲、掩埋式齊納電壓基準電源。 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 多路開關 MAX308 IN1~IN8 是模擬 輸入通道，模擬信號由此輸入 。通道值的選擇與 A0， A1， A2 的邏輯值有關，如表31 示。本設計采用的是，本模塊的設計目的就是為了實現這功能 [9]。5V） 最低的產品。輸出禁用引腳可以將靜態(tài)電源電流進一步降低至 mA。C～ +85176。 基準電壓源 ADR421 高分辨率的模數轉換系統(tǒng)需要精準可靠的基準電壓， ADR421 是基于XFET 技術的基準電壓源，具有極高的精度和極低的噪聲，可想 AD7663輸出穩(wěn)定的 基準電壓電，電路圖如圖 34 示。其中，積分型模數轉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，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉換速率的應用有用（如熱電偶輸出的量化）。并行比較式 A/D 轉換器原理直觀，轉換速度極快（最高 1GHz 的采樣速率），常用于數字通信和高速數據采集領域。通常選擇逐次逼近型或并 行比較型 AD 轉換器。因此，必須用阻抗極低的信號源來驅動 AD7663 的輸入端，這里選用了信號驅動放大器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 模數轉換接口電路 AD7663 負責實現模數轉換的功能，它支持串行和并行方式輸出，在本設計中 AD7663 與 S3C44B0X 以 16 位并行總線的方式連接。 模數轉換芯片 AD7663 介紹 模數轉換芯片 AD7663 的主要特點如下： (1) 16 位的采樣保持功能的模數轉換器； (2) 250kHz 的采樣速率，信噪比達到 90dB； (3) 多種信號輸入范圍： 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，只需將 RD置低，系統(tǒng)控制器就可以將數據總線上的數據取走，從而最終完成一次模數轉換。圖中各部分說明如下：為 AD7663 提供 的模擬電壓基準，并利用AD8301 對基準電壓進行跟隨處理，減少電壓波動對采樣信號的影響。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。 高速高精度數據采集系統(tǒng)的存儲要解決兩方面的問題，一是存儲器的低存儲速度與 A/D 轉換