【正文】 ute for Electrical and Electronic Engineers）的定義：嵌入式系統是控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置 [4]。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 4 根據上述性能指標， 整個系統的關鍵是控制芯片的設計。 論文安排 本論文 采用三級目錄格式撰寫， 共分為五 章 。 然后 詳細介紹了多通道采樣模塊中信號調理電路、 A/D 轉換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細介紹了所用 到的 主要器件 性能。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 5 第 2 章 多路信號 采集器的總體設計 系統總體方案 系統分析 基于 FPGA 的多路信號采集器系統 涉及的 內容 包括， 信號的采集，數據的傳輸，數據的處理和存儲， 實時信息的顯示。 信號處理器的選擇 在高性能數據采集系統中，傳統方法多采用單片 機或 DSP(數字信號處理器 )作為 控制器 ，控制 A/D 轉換 、存儲器和其他外圍電路的工作。因為 FPGA 鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路 。FPGA 的 I/O 端口多、可在線編程、便于擴展等眾多優(yōu)勢將在本設計中展現。本設計系統采用通用串行通信接口 RS232。信息與物質和能量息息相關，但又與物質和能量有本質的區(qū)別。數據采集技術就是信息獲取技術； (2) 信息傳遞技術：包括各種信息的發(fā)送、傳輸、接收、顯示、記錄技術，特別是人機信息交換技術； (3) 信息處理技術：包括各種信息的變換、加工、放大、濾波、提取、壓縮等技術，特別是數字信號處理與人工智能技術； (4) 信息利用技術：包括各種利用信息進行控制、操縱、指揮、管理決策的技術 。如果 x(t)有截止頻率 fc，即當 f=fc 時， W(f)=0，且滿足 cfT1? （ 21） 時，離散信號 X(nT)完全能確定連續(xù)信號 x(t)。 系統結構框圖 本設計系統的功能是完成同時對三路不同信號的同時采集，為此針對不同的傳感器設計了不同的調理電路，然而考慮到硬件資源的節(jié)省，采用同一個數據傳輸通道實行分時傳送，即用 CD4051 作為模擬通道的開關，這是一種能實現對 8 路信號控制的開關，用 LF398 作為采樣保持器， A/D 轉換采用 TLC5510 高數采樣 轉換 器件。 基于 FPGA 的 多 信號 據采集器的系統硬件結構框圖如下圖 所示。本設計采用的 Altera 公司的 FLEX10KEPF10K20RC2084 型 FPGA芯片。所以，對于溫度的采集可選用 DS18B20 直接 連 接到控制芯片上作為一個單獨的采集通道。在小規(guī)模顯示控制系統中，常用的顯示的器件無外乎LED 數碼管和 LCD 液晶器件。 控制器 FPGA 結構 原理 現場可編程門陣列 ((FPGA)是八十年代中期出現的新型高密度可編程邏輯器件，它是在 PAL， GAL， EPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物，隨著工藝技術的發(fā)展與市場的需求，超大規(guī)模、高速、低功耗的新型 FPGA/CPLD 不斷推陳出新 [7]。 FPGA 一般是基于 SRAM 工藝，其基本可編程邏輯單元通常由查找表 (Look Up Table, LUT)和寄存器 (Register )組成。底層嵌入功能單元指那些通用度較高的嵌入功能模塊，比如PLL ( Phase Locked Loop )。 查找表 (LookUpTable) 簡稱為 LUT， LUT 本質上就是一個 RAM。實際上， LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。 Altera 的 FLEX10K 器件是工業(yè)界首例嵌入式 PLD。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 圖 FLEX10K 器件結構 這種 FPGA 的結構可分為三塊：宏單元（ Macrocell）、可編程連線（ PIA）和 I/O 控制塊。 傳感器 傳感器的分類 傳感器（ transducer / sensor）： 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由 敏感元件 、 轉換元件 和轉換電路 組成 [20]。 物理 型 傳感器應用的是物理效應，諸如 壓電效應 ， 磁致伸縮 現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。 根據輸出信號，可分為 模擬傳感器 —— 將被測量的非電學量轉換成模擬電信號 ； 數字傳感器 —— 將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號 (包括直接和間接轉換 )； 膺數字傳感器 —— 將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號 的輸出 (包括直接或間接轉換 )。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上 。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。因為，即使是同一物理 量 ，也有多種原理的傳感器可供選擇，哪一種原理的傳感器更為合適，需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮下面這些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方法為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法有線或是非接觸測量；還有就是來源，進口還是國產，價錢及是否自行研制 [9]。定義為在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。所以要求傳感器本身應具備較高的信噪比盡量減少從外界引入的干擾信號 。 遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱?程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現象成為遲滯。 分辨率： 分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響， 機械系統的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號的頻率低。 數字溫度 傳感器 DS18B20 美國 DALLAS 公司生產的 DS18B20 數字溫度傳感器，具有 體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。 64 位光刻 ROM 的排序是：開始 8 位（ 28H）是產品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后的 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC 碼）。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 15 表 溫度轉換對應表 溫度值 二進制數據輸出 16 進制輸出 +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 TH、 TL（分別為最高和最低檢測溫度）作比較。 R R0 決定溫度轉換的精度位數： R1R0=00 時為 9 位精度，最大轉換時間 ； R1R0=10 時為 11 位精度，最大 轉換時間 375ms； R1R0=11 時為12 位精度，最大轉換時間 750ms；未編程時默認為 12 位精度。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 16 斜 率 累 加 器預 置比 較計 數 器 1低 溫 度 系 數 晶 振= 0溫 度 寄 存 器預 置計 數 器 2= 0高 溫 度 系 數 晶 振停 止加 1L S B 置 位/ 清 除 圖 DS18B20 原理圖 低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器 1，高溫度系數晶振隨溫度變化時振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器 2的脈沖輸入。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中非線性，其輸出用于修正計數器 1 的預置值。 壓力傳感器 PJT204 用半導體應變片制作的傳感器稱為壓阻式傳感器，其工作原理是基于半導體的壓阻效應。硅的壓阻效應不同于金屬應變計（見電阻應變計），前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應變），而且前者的靈敏度比后者大 50～ 100 倍。廣 泛用于工業(yè)設備、石油、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制 。 供電電壓： 24DCV（ 9～ 36DCV。 絕緣電阻：大于 2021MΩ（ 100VDC。 電氣接口（信號接口）：四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母 。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性 。30% 、 VFS=10mV177。%FS； 輸入阻抗 ～ 6KΩ； 補償溫度 10℃ ～ +70℃ ； 工作溫度 40℃ ～ +85℃； 絕緣電阻 100MΩ/50V ； 絕緣強度 500MΩ/500V ； 測壓方式 投入式 ； 電氣連接 防水密封電纜引線 ； 適用介質 與 316 不銹鋼相兼容的流體 ； 外殼保護 IP65 ； 防爆等級 ExiallCT5 。如下圖 多路分時采集分時輸入結構，它的優(yōu)點是多路信號共同使用一個 S/H 和A/D 電路，簡化了電路結構，有利于降低成本 。 模擬多路切換器調 理 電 路調 理 電 路調 理 電 路 采 樣 保 持采 樣 保 持采 樣 保 持采 樣保 持A / D 轉換 器F P G A 圖 多路同步采集分時輸入結構 （ 2） 分散式 分散式的特點是每一個 S/H 和 A/D 只對本路模擬信號進行數字轉換即數據采集，采集的 多路 數據 同時 輸入 到 FPGA， 在 FPGA 的并行處理過程中實現真正的同步。 調理電路 調理電路的作用就是把傳感器輸出信號調節(jié)到 標準信號即 1~5V 或 4~20mA。下圖 的放大電路是根據儀用放大電路原理設計， IC IC IC3 是 三個 型號為 LM324 的運算放大器， 能實現的放大倍數為： )1221(34 RRRR ?。 CD4051 有 3 個二進制控制輸入端 A、 B、 C 和 一個禁止輸入端 INH，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流 ，在系統中均由控制芯片 FPGA 提供信號 。其允許的這三種電壓的范圍是 ~15V[10]。 極限值：電源電壓 ： － ~18V； 輸入電壓 ： － ~VDD+； 輸入電流 ： 177。 圖 CD4051 管腳圖 系統電路連接圖詳見附錄 A。 LF398 是由雙極型絕緣柵場效應管組成采樣保持器，它具有采樣速度快，保持下降內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 22 速度慢，以及精度高等優(yōu)點 ，采樣時間小于 6us 時精度可達 %。 3） REF：邏輯及邏輯參考電平，控制采樣保持器的工作方式?？捎猛饨与娮枵{整采樣保持的偏差。 5V 到 177。 TLC5510 最大可提供 20MHz 的采樣率，可廣泛應用于高速數據轉換、數字 TV、醫(yī)學圖像、視頻會議以及 QAM 解調器等領域。 A/D 轉換模塊 A/D 轉換器 的功能是把模擬量轉化為數字處理系統能夠識別 數字信號。當其外接電容為 1uF 時，其下降速度為 5mV/min。反之，進入保持狀態(tài)。 圖 LF398 管腳圖 LF398 引腳功能如下： 1） IN：模擬量電壓輸入。 表 CD4051 的真值表 輸入狀態(tài) 接通通道 INH C B A 8 個 IN/OUT 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 X X X 無 采樣保持器 采樣保持器（ Sample/Hold），簡稱 S/H，其主要用途是：保持采樣信號不變，以完成 A/D 的轉換；同時采樣幾個模擬量，以便進行數據處理和測量 。 4）引腳說明 如圖 所示 。 最初設計 推薦工作條件： 電源電壓范內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 21 圍 ： 3V~15V； 輸入電壓范圍 ： 0V~VDD。 INH=‘ 1’，即 INH=VCC 時，所有通道都斷開，禁止模擬量輸入；當 INH=‘ 0’，即 INH=VSS 時，通道接通，允許模擬量輸入，輸入范圍 是 VCC~VSS。 圖 可調放大電路 多路模擬開關