【文章內(nèi)容簡介】 或存入磁盤（系統(tǒng)采用個(gè)人微機(jī)時(shí)），供以后使用。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)可使用VB、VC或Labview作為開發(fā)平臺(tái)，主要在于良好的人機(jī)界面、采集模塊與計(jì)算機(jī)通訊總線選擇，以及數(shù)據(jù)分析與處理功能。根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際情況選擇。２．５　基于單片機(jī)的智能車輛車載加速度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)本單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括前向通道（傳感器及小信號(hào)放大電路即前置放大器）、信號(hào)調(diào)理電路（濾波）、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理（單片機(jī)）以及與PC機(jī)的串行通訊電路，還有穩(wěn)壓電源電路及抗干擾電路。傳感器采用ADI公司的ICP型ADXL105加速度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換中的ADC采用AD7705/06，單片機(jī)采用AT89C51，與PC的通信采用USB或RS232接口電路。電源模塊用LM2576設(shè)計(jì)一個(gè)5V的穩(wěn)壓源，系統(tǒng)抗干擾方面采用CD4060設(shè)計(jì)硬件看門狗電路。傳感采樣電路信號(hào)調(diào)理電路單片機(jī)串行通信接口電路車載計(jì)算機(jī)電源電路A/D轉(zhuǎn)換 采集系統(tǒng)原理框圖在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作有：設(shè)計(jì)與車載計(jì)算機(jī)的通訊軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)、顯示與控制信號(hào)的輸出功能。３．采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本部分對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個(gè)部分的硬件電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路的主要模塊有：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU模塊、采集系統(tǒng)前向通道（傳感采樣及信號(hào)調(diào)理電路）、系統(tǒng)的A/D采樣模塊、系統(tǒng)的通訊傳輸模塊、系統(tǒng)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。本部分將對這幾個(gè)模塊分別進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。一個(gè)系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際就是元器件的選擇及這些元器件之間電路的聯(lián)系。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可用的各種元器件種類繁多，功能各異、價(jià)格不等，這就為我們在器件功能、特性等方面進(jìn)行選擇提供了較大的自由度。我們必須對系統(tǒng)的要求、芯片的特性有充分的了解之后，才能選擇好所用的元器件。選擇元器件的基本原則是選擇那些能滿足性能、指標(biāo)可靠性高的元器件。系統(tǒng)總電路圖見附錄及附圖。３．１　采集系統(tǒng)的CPU模塊MCS51單片機(jī)是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS5l系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，它的基本型產(chǎn)品是8058031和8751。MCS51單片機(jī)應(yīng)用范圍非常廣泛，在其單片機(jī)系列中，有HMOS和CHM0S兩種工藝狀態(tài)的芯片。CHMOS是專為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的芯片類型，集成度高，速度快，功耗低。一般稱為低功耗型單片機(jī)。INTEL的80C31/80C51/80C71是MCS5l系列中的CHMOS結(jié)構(gòu)，MCS51單片機(jī)基本型中的8051是在國內(nèi)有著很大影響的單片機(jī)。美國ATMEL公司所生產(chǎn)的89系列單片機(jī)，是和8051兼容、并且內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它是一種來源于8051而又優(yōu)于8051的系列[14]。在工業(yè)、交通、儀器儀表、自動(dòng)生產(chǎn)過程、航空、運(yùn)輸、汽車、家電等領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用前景[6]。原來8051的大量用戶都轉(zhuǎn)向采用ATMEL公司的89系列單片機(jī)。：　ATMEL公司生產(chǎn)的8051系列的部分單片機(jī)性能列表ATMEL8051主要特性列表（一）型號(hào)/特性AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52AT89S53AT87F51AT87F52程序存儲(chǔ)器4k flash8k flash4k flash8k flash12k flash4k OTP8k OTP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128256128256128256工頻/MHz332433定時(shí)/計(jì)數(shù)器232323UART通道1A/D轉(zhuǎn)換器WDTYESSPIISPYES工作電壓封裝形式PDIP，PLCC，TQFPAT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性： 　 兼容MCS51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(1000次）Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 可編程UARL通道 兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 全靜態(tài)操作：024MHz 1個(gè)串行中斷 128x8bit內(nèi)部RAM 兩個(gè)外部中斷源 共6個(gè)中斷源 可直接驅(qū)動(dòng)LED 3級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 　AT89C51引腳圖３．２　采集系統(tǒng)的前向通道３．２．１　加速度傳感器ADXL1051．ADXLl05簡介ADXL105是美國ADI公司(Analog Devices，Inc)生產(chǎn)的單片集成加速度傳感器，是一種MEMS加工技術(shù)開發(fā)的高性能、高準(zhǔn)確度的變間隙差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的差容式力平衡加速度傳感器，具有噪聲低、外形小巧、方向性好、分辨率高、時(shí)漂與溫漂小，抗震性能強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境與汽車測試系統(tǒng)中工作[20,21]。ADXL105內(nèi)部包含一個(gè)多硅表面微處理傳感器和BIMOS信號(hào)控制電路，故可形成開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。單片ADXLl05有下述特點(diǎn)：①分辨率高，達(dá)2mg。②頻率響應(yīng)范圍寬，為DC to 10KHZ。③測量范圍為177。5g。④可承受1000g的劇烈沖擊。⑤直流工作電壓為+ to +。⑥輸出靈敏度(可調(diào))：250 to 1500mV/g。⑦內(nèi)置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)。⑧可以測量靜態(tài)加速度(如重力加速度和慣性)，也可以測量動(dòng)態(tài)加速度(如振動(dòng)和沖擊)。 所示。 ADXL105內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖2．工作原理ADXLl05是—個(gè)集成于單片集成電路的加速度測量裝置，其內(nèi)部包含一個(gè)多晶硅表面的微處理傳感器和BIMOS信號(hào)控制電路，形成開環(huán)加速度測量系統(tǒng)。由于加速度的產(chǎn)生使得該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的差動(dòng)電容器失去平衡，產(chǎn)生一個(gè)幅度與加速度成正比的方渡電壓輸出。同時(shí)采用相位解訶技術(shù)校正信號(hào)，可以確定出加速度的方向，這樣就可以獲得完整的加速度信息。ADXLl05的輸出，在默認(rèn)情況下是250mV/g，這個(gè)比例放大系數(shù)在有些場合并不適用。芯片內(nèi)部內(nèi)置UCA運(yùn)放模塊，可用來增大這個(gè)比例系數(shù)。緩沖放大器同相輸入端VNlN接VMID=(VDD/2，VDD=)，調(diào)節(jié)外接電阻R1和R2的阻值，可改變傳感器的輸出靈敏度SCALE=(250R2)/Rl(mV/g)。一旦傳感器的輸出靈敏度確定下來，緩沖放大器的輸出UCAOUT也隨之確定下來：UCAOUT=(－AOUT)R2/R1＋ （）從上式中可看出，通過改變ADXLl05外接電阻R1和R2的比例關(guān)系可調(diào)整靈敏度大小。若想改變傳感器的零點(diǎn)偏置電平，它一端與緩沖放大器的反相端連接，另一端與10k電位器的中抽頭連接，電位器的兩個(gè)固定端分別接VDD和COM端,那么UCAOUT的表達(dá)式修改如下：UCAOUT=(－AOUT)R2/Rl＋(－Vr)R2/R3＋ （）調(diào)節(jié)10K電位器，即可對零點(diǎn)進(jìn)行修正。)使用放大器UCA改變ADXLl05靈敏度 b)使用放大器UCA改變ADXLl05靈敏度及零點(diǎn)偏置電平３．２．２　信號(hào)調(diào)理電路（帶寬設(shè)定和濾波）傳感器ADXL105芯片直接輸出的信號(hào)存在偏移量和一些高頻干擾，因此在外圍電路中增加濾波器和減法器去除雜波就顯得非常必要。帶寬的選擇將決定噪聲的基值和測量精度。在ADXL105的測量噪聲中，白高斯噪聲（white Gaussian noise）存在于所有的頻率范圍內(nèi)，可以通過簡單地減小帶寬來降低噪聲的幅值。ADXL105典型的噪聲公式可表示為：噪聲（rms）= （）其中：單極性濾波器Ｋ＝（）　　　雙極性濾波器Ｋ＝（）由此可見，一味的增大帶寬將導(dǎo)致較大的噪聲。 低通濾波器因此若給定帶寬為100Hz,ADXL105的典型噪聲值為：對單極性濾波器，噪聲（rms）=＝9mg rms對雙極性濾波器，噪聲（rms）=＝ rms通?？紤]最多的是噪聲峰值，噪聲的峰峰值只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法得到。噪聲的峰峰值能夠最好的估計(jì)測量方法的不確定性。 峰峰值噪聲估計(jì)３．３　A/D轉(zhuǎn)換選擇及與單片機(jī)的接口電路AD7705/06是AD公司推出的16位ΣΔ型串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，用于測量低頻模擬信號(hào)。這種器件具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)，適合于工業(yè)測控、儀表測量等領(lǐng)域。 AD7705/06內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖３．３．１　AD7705/06的特點(diǎn)AD7705/06利用ΣΔ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。該器件可以接收直接來自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。AD7705/~~。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入REFIN(+)和REFIN()，差分輸入的共模范圍是GND~VDD。為確保器件能夠準(zhǔn)確無誤的工作，必須使REFIN(+)大于REFIN()。當(dāng)電源電壓為5V、這兩種器件都可將輸入信號(hào)范圍為0~20mA或0~，還可以處理20mV~。當(dāng)電源電壓為3V、可處理0~10mV或0~，它的雙極性輸入信號(hào)范圍是10mV~。AD7705/06是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品，其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號(hào)極性以及更新速率的選擇，可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。３．３．２　AD7705/06的片內(nèi)寄存器正確地應(yīng)用AD7705/06就要對其片內(nèi)寄存器有充分的了解。AD7705/06包括6個(gè)(用戶）可通過串行口訪問的片內(nèi)寄存器。第1個(gè)寄存器是通信寄存器，它管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器，所有與器件的通信必須從寫通信寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件等待在通信寄存器上進(jìn)行一次寫操作。第2個(gè)寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單/雙極性輸入以及緩沖模式。第3個(gè)寄存器是時(shí)鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制。第4個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。第5個(gè)寄存器是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705/06包含幾組獨(dú)立的零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，每個(gè)零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道，它們都是24位讀/寫寄存器。地6個(gè)寄存器是滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705/06包含幾組獨(dú)立的滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，每個(gè)滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道，它們都是24位讀/寫寄存器。３．３．３　AD7705/06的輸入采樣率AD7705/06的調(diào)制器的采樣頻率維持在fCLKIN/128（，fCLKIN = ），而與增益選擇無關(guān)。但是，大于1的增益是通過在每個(gè)調(diào)制器周期中多重輸入采樣以及基準(zhǔn)電容與輸入電容之比的倍數(shù)，兩者組合得到的。作為多重采樣的結(jié)果，輸入采樣率隨選定的增益而變化（）。在緩沖模式下，輸入端在接到輸入采樣電容之前就已經(jīng)得到緩沖；非緩沖模式下，模擬輸入端直接連到采樣電容器，有效輸入阻抗是，為輸入采樣電容器，fs是輸入采樣率。 輸入采樣率與增益的關(guān)系增益輸入采樣率1248128fCLKIN/64（@fCLKIN=）2fCLKIN/64（@fCLKIN=）4fCLKIN/64（@fCLKIN=）8fCLKIN/64（@fCLKIN=）３．３．４　單極性/雙極性輸入無論是單極性還是雙擊性電壓，AD7705/06的模擬輸入端都能接受。雙擊性輸入并不表示器件能夠處理模擬輸入端的負(fù)電壓，因?yàn)槟M輸入電壓不能小于10mV，以確保器件的正常。輸入通道是全差分的。因此，對于AD7705，AIN(+)輸入電壓以各自的AIN()為基準(zhǔn)；對于AD7706，加到模擬通道的電壓以COMMON為基準(zhǔn)。例如，若AIN1()=,單極輸入，增益為2，VREF=，那么，AIN1(+)~；若AIN1()=，AD7705配制成雙極性輸入，增益為2，VREF=，那么，AIN1(+)~；（)。選擇單極性輸入還是雙極性輸入是由設(shè)置寄存器的位來決定的。無論是在單極性還是雙極性狀態(tài)下工作，都不改變?nèi)魏屋斎胄盘?hào)的狀態(tài)，它只改變輸出數(shù)據(jù)的代碼和轉(zhuǎn)換函數(shù)上的較準(zhǔn)點(diǎn)。３．３．５　AD7705/06的接口時(shí)序（讀周期時(shí)序圖）如前所述，AD7705/06的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來控制，對這些寄存器的讀/寫操作通過器件的串行接口來完成。AD7705/06的串行接口保含5個(gè)信號(hào)：、SCLK、DIN、DOUT和。DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入，所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時(shí)，變?yōu)榈碗娖?。是片選信號(hào)，用來選擇器件[5]。（寫周期時(shí)序圖） ３．３．６　AD7706與單片機(jī)的接口電路，其中AD780提供+。AD7706的輸出信號(hào)直接接到AT89C51的RXD（）端，而AT89C51的TXD()端則為AD7706提供時(shí)鐘信號(hào)，可見在這樣的連接方式下，A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘是由AT89C51的TXD引腳提供的。單片機(jī)利用串行口與AD7706進(jìn)行通信，將串行口設(shè)定為工作方式0，即同步移位寄存器方式。此外。這樣，在多芯片系統(tǒng)中