【文章內容簡介】 或存入磁盤（系統(tǒng)采用個人微機時），供以后使用。系統(tǒng)軟件設計的軟件平臺可使用VB、VC或Labview作為開發(fā)平臺，主要在于良好的人機界面、采集模塊與計算機通訊總線選擇，以及數據分析與處理功能。根據設計者的實際情況選擇。２．５　基于單片機的智能車輛車載加速度采集系統(tǒng)設計本單片機數據采集系統(tǒng)包括前向通道（傳感器及小信號放大電路即前置放大器）、信號調理電路（濾波）、A/D轉換電路、信號處理（單片機）以及與PC機的串行通訊電路，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轉換中的ADC采用AD7705/06，單片機采用AT89C51，與PC的通信采用USB或RS232接口電路。電源模塊用LM2576設計一個5V的穩(wěn)壓源，系統(tǒng)抗干擾方面采用CD4060設計硬件看門狗電路。傳感采樣電路信號調理電路單片機串行通信接口電路車載計算機電源電路A/D轉換 采集系統(tǒng)原理框圖在硬件設計基礎上，系統(tǒng)軟件設計工作有：設計與車載計算機的通訊軟件，實現(xiàn)信號的存儲、顯示與控制信號的輸出功能。３．采集系統(tǒng)的硬件電路設計在系統(tǒng)分析與總體設計的基礎上，本部分對數據采集系統(tǒng)各個部分的硬件電路進行詳細設計。數據采集系統(tǒng)硬件電路的主要模塊有：數據采集系統(tǒng)的CPU模塊、采集系統(tǒng)前向通道（傳感采樣及信號調理電路）、系統(tǒng)的A/D采樣模塊、系統(tǒng)的通訊傳輸模塊、系統(tǒng)顯示與數據存儲模塊。本部分將對這幾個模塊分別進行研究和設計。一個系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)，實際就是元器件的選擇及這些元器件之間電路的聯(lián)系。單片機應用系統(tǒng)中可用的各種元器件種類繁多，功能各異、價格不等，這就為我們在器件功能、特性等方面進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單片機是美國INTEL公司于1980年推出的產品，一直到現(xiàn)在，MCS5l系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產品，它的基本型產品是8058031和8751。MCS51單片機應用范圍非常廣泛，在其單片機系列中，有HMOS和CHM0S兩種工藝狀態(tài)的芯片。CHMOS是專為低功耗系統(tǒng)設計的芯片類型，集成度高，速度快，功耗低。一般稱為低功耗型單片機。INTEL的80C31/80C51/80C71是MCS5l系列中的CHMOS結構，MCS51單片機基本型中的8051是在國內有著很大影響的單片機。美國ATMEL公司所生產的89系列單片機，是和8051兼容、并且內部含有Flash存儲器的單片機。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、自動生產過程、航空、運輸、汽車、家電等領域都有著極大的應用前景[6]。原來8051的大量用戶都轉向采用ATMEL公司的89系列單片機。：　ATMEL公司生產的8051系列的部分單片機性能列表ATMEL8051主要特性列表（一）型號/特性AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52AT89S53AT87F51AT87F52程序存儲器4k flash8k flash4k flash8k flash12k flash4k OTP8k OTP數據存儲器128256128256128256工頻/MHz332433定時/計數器232323UART通道1A/D轉換器WDTYESSPIISPYES工作電壓封裝形式PDIP，PLCC，TQFPAT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。主要功能特性： 　 兼容MCS51指令系統(tǒng) 4k可反復擦寫(1000次）Flash ROM 32個雙向I/O口 可編程UARL通道 兩個16位可編程定時/計數器 全靜態(tài)操作：024MHz 1個串行中斷 128x8bit內部RAM 兩個外部中斷源 共6個中斷源 可直接驅動LED 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能 　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)生產的單片集成加速度傳感器，是一種MEMS加工技術開發(fā)的高性能、高準確度的變間隙差動式結構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、時漂與溫漂小，抗震性能強等特點，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內部包含一個多硅表面微處理傳感器和BIMOS信號控制電路，故可形成開環(huán)加速度測量結構。單片ADXLl05有下述特點：①分辨率高，達2mg。②頻率響應范圍寬，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)：250 to 1500mV/g。⑦內置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調節(jié)。⑧可以測量靜態(tài)加速度(如重力加速度和慣性)，也可以測量動態(tài)加速度(如振動和沖擊)。 所示。 ADXL105內部功能結構圖2．工作原理ADXLl05是—個集成于單片集成電路的加速度測量裝置，其內部包含一個多晶硅表面的微處理傳感器和BIMOS信號控制電路，形成開環(huán)加速度測量系統(tǒng)。由于加速度的產生使得該結構內部的差動電容器失去平衡，產生一個幅度與加速度成正比的方渡電壓輸出。同時采用相位解訶技術校正信號，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，在默認情況下是250mV/g，這個比例放大系數在有些場合并不適用。芯片內部內置UCA運放模塊，可用來增大這個比例系數。緩沖放大器同相輸入端VNlN接VMID=(VDD/2，VDD=)，調節(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的比例關系可調整靈敏度大小。若想改變傳感器的零點偏置電平，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，電位器的兩個固定端分別接VDD和COM端,那么UCAOUT的表達式修改如下：UCAOUT=(－AOUT)R2/Rl＋(－Vr)R2/R3＋ （）調節(jié)10K電位器，即可對零點進行修正。)使用放大器UCA改變ADXLl05靈敏度 b)使用放大器UCA改變ADXLl05靈敏度及零點偏置電平３．２．２　信號調理電路（帶寬設定和濾波）傳感器ADXL105芯片直接輸出的信號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，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通常考慮最多的是噪聲峰值，噪聲的峰峰值只能通過統(tǒng)計學的方法得到。噪聲的峰峰值能夠最好的估計測量方法的不確定性。 峰峰值噪聲估計３．３　A/D轉換選擇及與單片機的接口電路AD7705/06是AD公司推出的16位ΣΔ型串行輸出的A/D轉換器，用于測量低頻模擬信號。這種器件具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準等特點，適合于工業(yè)測控、儀表測量等領域。 AD7705/06內部功能結構圖３．３．１　AD7705/06的特點AD7705/06利用ΣΔ轉換技術實現(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，然后產生串行的數字輸出。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，二者都有一個差分基準輸入REFIN(+)和REFIN()，差分輸入的共模范圍是GND~VDD。為確保器件能夠準確無誤的工作，必須使REFIN(+)大于REFIN()。當電源電壓為5V、這兩種器件都可將輸入信號范圍為0~20mA或0~，還可以處理20mV~。當電源電壓為3V、可處理0~10mV或0~，它的雙極性輸入信號范圍是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)的理想產品，其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號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和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。３．３．２　AD7705/06的片內寄存器正確地應用AD7705/06就要對其片內寄存器有充分的了解。AD7705/06包括6個(用戶）可通過串行口訪問的片內寄存器。第1個寄存器是通信寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或寫哪一個寄存器，所有與器件的通信必須從寫通信寄存器開始。上電或復位后，器件等待在通信寄存器上進行一次寫操作。第2個寄存器是設置寄存器，決定校準模式、增益設置、單/雙極性輸入以及緩沖模式。第3個寄存器是時鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時鐘控制。第4個寄存器是數據寄存器，器件輸出的數據從這個寄存器讀出。第5個寄存器是零標度校準寄存器，AD7705/06包含幾組獨立的零標度校準寄存器，每個零標度校準寄存器負責一個輸入通道，它們都是24位讀/寫寄存器。地6個寄存器是滿標度校準寄存器，AD7705/06包含幾組獨立的滿標度校準寄存器，每個滿標度校準寄存器負責一個輸入通道，它們都是24位讀/寫寄存器。３．３．３　AD7705/06的輸入采樣率AD7705/06的調制器的采樣頻率維持在fCLKIN/128（，fCLKIN = ），而與增益選擇無關。但是，大于1的增益是通過在每個調制器周期中多重輸入采樣以及基準電容與輸入電容之比的倍數，兩者組合得到的。作為多重采樣的結果，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電壓，因為模擬輸入電壓不能小于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；對于AD7706，加到模擬通道的電壓以COMMON為基準。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，都不改變任何輸入信號的狀態(tài)，它只改變輸出數據的代碼和轉換函數上的較準點。３．３．５　AD7705/06的接口時序（讀周期時序圖）如前所述，AD7705/06的編程功能用片內寄存器的設置來控制，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個信號：、SCLK、DIN、DOUT和。DIN線用來向片內寄存器傳送數據，而DOUT線用來訪問寄存器里的數據。SCLK是串行時鐘輸入，所有的數據傳輸都和SCLK信號有關。線作為狀態(tài)信號，以提示數據什么時候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時，變?yōu)榈碗娖?。是片選信號，用來選擇器件[5]。（寫周期時序圖） ３．３．６　AD7706與單片機的接口電路，其中AD780提供+。AD7706的輸出信號直接接到AT89C51的RXD（）端，而AT89C51的TXD()端則為AD7706提供時鐘信號，可見在這樣的連接方式下，A/D轉換器的時鐘是由AT89C51的TXD引腳提供的。單片機利用串行口與AD7706進行通信，將串行口設定為工作方式0，即同步移位寄存器方式。此外。這樣，在多芯片系統(tǒng)中