【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基本上已達(dá)到國(guó)外數(shù)據(jù)采集器的中期水平。這些數(shù)據(jù)采集裝置的主控 CPU 主要采用單片機(jī)或 DSP，通信總線主 要為 PCI 總線或 ISA 總線?，F(xiàn)在具有代表性的數(shù)據(jù)采集裝置基本上以數(shù)據(jù)采集卡為核心。 PCI 卡占據(jù)了數(shù)據(jù)采集卡的絕大部分市場(chǎng)。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)。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)。正是這一制約因素，使得信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。例如信號(hào)被衰減，有干擾信號(hào)混入，或者產(chǎn)生失真等等，導(dǎo)致最終采集到的信號(hào)誤差很大。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)總線技術(shù)，如 CAN、 RS485 等總線，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數(shù)據(jù)采集裝置的應(yīng)用領(lǐng)域 [4]。 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。網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：采集范圍大、數(shù)據(jù)傳輸吞吐率高、遠(yuǎn)程控制等。網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控己經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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。 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。 (2) 系統(tǒng)向著多參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 (3) 系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度不斷提高。 (4) 系統(tǒng)功耗逐漸降低，可擴(kuò)展性進(jìn)一步提高 [5]。 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。在分析國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮到數(shù)據(jù)的采集速度、精度和系統(tǒng)可擴(kuò)展性，選用了 Samsung 公司的 ARM7 微控制器 S3C44B0X，設(shè)計(jì)出一套通用性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了高速和高精度信號(hào)采集，顯示及傳 輸?shù)裙δ?。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。 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)。 第三章：本章主要論述采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先講述采集卡硬件總體設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體設(shè)計(jì)劃分的模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 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)。 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。硬件部分主要完成數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)等功能，軟件部分則完成對(duì)硬件控制、對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等功能。與傳統(tǒng)的中、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有其特殊性。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。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。高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)是將外界模擬信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，然后送往計(jì)算機(jī)根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其結(jié)構(gòu)主要由信號(hào)調(diào)理、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換和微機(jī)系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 模 擬 信 號(hào)多路開(kāi)關(guān)模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 模 塊微處理器存 儲(chǔ) 器人 機(jī) 交 換 模 塊 圖 21 高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前置電路一般包括傳感器、放大器和濾波器等，傳感器把外界信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬電量 (如熱電偶傳感器、流量傳感器、 速度傳感器等等 )，其轉(zhuǎn)換后的信號(hào)一般比較微弱，需要進(jìn)行放大處理，在傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)和放大器工作時(shí)，常常產(chǎn)生噪聲信號(hào)影響采集的準(zhǔn)確性，這就需要 8 濾波器降低各種噪聲信號(hào)提高系統(tǒng)的信噪比。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。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)采樣原理 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信息總是用離散信號(hào)來(lái)表示的，而我們需要采集的信息 多是連續(xù)模擬信號(hào)，這樣就必須解決連續(xù)信號(hào)如何離散化的問(wèn)題。我們通過(guò)對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣獲得離散化信息。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。將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受的離散數(shù)字信號(hào)首先需要采樣得到離散模擬信號(hào)，然后通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。采樣過(guò)程包括采樣、量化和編碼。采樣時(shí)的采樣周期決定了得到采樣信號(hào)的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)采樣后的離散采樣信號(hào)是否能代表模 擬信號(hào)的全部信息，奈奎斯特采樣定理就是解決這一重要問(wèn)題的理論，可以說(shuō)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基石。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。采樣后的離散信號(hào)幅值是時(shí)間上離散而幅值連續(xù)的信號(hào)，它不能直接輸入微處理器處理，必須經(jīng)過(guò)量化把它變?yōu)閿?shù)字信號(hào)處理。量化就是用一組數(shù)碼來(lái)代表采樣過(guò)后的信號(hào)幅值，將其數(shù)字化。一般量化有兩種處理方法，有舍有入和只舍不入。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)。編碼就是采用采樣過(guò)程的最后一步，應(yīng)用中通常采用二進(jìn)制編碼進(jìn)行，分為單極性與雙極性兩種編碼方式。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：通道數(shù)，即系統(tǒng)采集通道的個(gè)數(shù)；分辨率，采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)的最小變化量；系統(tǒng)精度，是實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，和系統(tǒng)分辨率還是有 9 區(qū)別的；采集速率，是指在滿足系統(tǒng)精度的前提下，對(duì)模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)；動(dòng)態(tài)范圍，通常定義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分貝數(shù)；非線性失真，也 稱諧波失真是指當(dāng)系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為 f 的正弦波時(shí)其輸出中出現(xiàn)很多頻率為 kf 的頻率分量 [6]。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 本文設(shè)計(jì)了一種基于 ARM7S3C44B0X 處理器的高速、高精度、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是： (1) 實(shí)時(shí)性強(qiáng)。系統(tǒng)的主要工作是對(duì)大量的過(guò)程狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等。因此要求硬件上必須要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和優(yōu)先級(jí)中斷信息處理電路。 (2) 可靠性高。他是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要要求。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往是安放在被控 對(duì)象的工作環(huán)境中，所以不僅溫度、濕度大，而且腐蝕多，干擾也很多，為了確保系統(tǒng)的可靠性，要求系統(tǒng)有較好的抗干擾能力和采集速度。 (3) 通用性好，便于擴(kuò)充。一臺(tái)以嵌入式系統(tǒng)為核心的控制裝置，一般可以控制多個(gè)設(shè)備和過(guò)程參數(shù)，這就要求系統(tǒng)的通用性要好，能靈活的進(jìn)行功能擴(kuò)充。 (4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，性能優(yōu)良。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有硬件和軟件兩部分組成。而硬件部分主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)功能，軟件部分則完成對(duì)硬件控制、對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 該系統(tǒng)的控制核心 Samsun 公司推出的 16/32 位 RISC 處理器 S3C44B0X。它 為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本， S3C44B0X 提供了豐富的內(nèi)置部件： 8KB Cache， 可選的內(nèi)部 SRAM， LCD 控制器，帶自動(dòng)握手的 2 通道 UART， 4 通道 DMA， 系統(tǒng) 10 管理器（片選 FP/EDO/SDRAM 控制器），帶 PWM 功能的 5 通道定時(shí)器 ， I/O端口 ， RTC， 8 通道 10 為 ADC， IIC 總線接口 ， IIS 總線接口，同步 SIO 接口和 PLL 倍頻器。 S3C44B0X 采 ARM7TDMI 內(nèi)核， 工藝的 CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器。它低功耗，精簡(jiǎn)，出色和全靜態(tài)的設(shè)計(jì)特別適用于成本和功耗敏感的應(yīng)用。同樣 S3C44B0X 還采用了一種新的總線結(jié)構(gòu)，即SAMBAII(SAMSUNG ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu) )。 S3C44B0X 的顯著特性時(shí)它的 CPU 核 ， 是由 ARM 公司設(shè)計(jì)的 16 或 32 位的 ARM7TDMI最高為 66MHz 的 RISC 處理器 。 微處理器 S3C44B0X 提供全面的，通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。 系統(tǒng)以 S3C44B0X 為數(shù)據(jù)采集模塊核心處理器 ，采用模塊化方法設(shè)計(jì)，按照功能的不同，分為電源電路、通道選擇電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通信電路、多路開(kāi)關(guān)及信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 22 所示。 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、鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換功能。同時(shí)多路開(kāi)關(guān)的選擇與控制有微處理器控制。 軟件部分的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)程序處理兩個(gè)部分。軟件設(shè)計(jì)共包括五部分：通道選擇，數(shù)據(jù)采集處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制。 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。本系統(tǒng)采用的是 8 通道模擬多路復(fù)用器 MAX308EPE 實(shí)現(xiàn) 8 路模擬信號(hào)的采集。信號(hào)調(diào)理電路主要基于AD623 與 MAX291 芯片的自行設(shè)計(jì)電路。信號(hào)調(diào)理電路主要用來(lái)對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行隔離、變換、放大、濾波等等各種處理，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)輸入電平和信號(hào)質(zhì)量的要求，同時(shí)大大的簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了外圍電路。多開(kāi)關(guān)由微處理器 S3C44B0X 進(jìn)行控制選擇。 (2) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 本模塊由兩部分組 成：信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器 AD8021 與 具有低噪聲、高精度和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定特性 的 基準(zhǔn)電壓源 ADR421 提供基準(zhǔn)電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7663。 傳感器輸入的信號(hào)通過(guò)多路開(kāi)關(guān)及信號(hào)調(diào)理模塊處理后得到比較符合要求的模擬信號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大電路 AD8021 的處理得到精度較高的、穩(wěn)定的模擬信號(hào)，通過(guò) 分辨率高，采樣速率高，功耗小 的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7663 的作用，輸出符合要求的數(shù)字信號(hào)，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 (3) 存儲(chǔ)模塊 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸率較低，數(shù)據(jù)量小，一般可以完成實(shí)時(shí)分析和處理，所以存儲(chǔ)問(wèn)題不突出。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 。 本設(shè) 計(jì) 采 用的 是SST39VF160 芯片。它具有成本低和密度大的優(yōu)點(diǎn)，能很好的完成本系統(tǒng)的存儲(chǔ)要求，把通過(guò)內(nèi)部 AD7663 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)通信端口送入計(jì) 12 算機(jī)進(jìn)行下一步處理。 (4) 鍵盤模塊 鍵盤掃描過(guò)程就是有規(guī)律的時(shí)間間隔查看鍵盤矩陣，以確定是否有鍵被按下。一旦處理器判定有一個(gè)鍵被按下，鍵盤掃描程序就會(huì)濾掉抖動(dòng)，然后再判定是哪個(gè)鍵被按下。每個(gè)鍵被分配一個(gè)稱為掃描碼的唯一標(biāo)示 符，應(yīng)用程序利用該掃描碼來(lái)判斷應(yīng)按下了什么鍵。本設(shè)計(jì)就是采用的 是 44矩陣 鍵盤 ，完成人機(jī)交換的鍵盤控制。 (5) 顯示模塊 S3C44B0X 內(nèi)部有一個(gè) LCD 控制器，只需要在外部接一個(gè)液晶驅(qū)動(dòng)模塊就可以具有顯示功能了。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。本模塊達(dá)到了微處理器與顯示器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了顯示的功能。 本設(shè)計(jì)主要有這五個(gè)模塊組成，他們?cè)谝黄鸸餐M成了本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，同時(shí)還有高速高精度的性能。軟件設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件控制部分，它們共 同構(gòu)成了高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求 [7]。