【正文】 要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊，可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性，但其昂貴的價格是阻礙它在自動化領(lǐng)域普及的一個重要因素。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模的擴大和生產(chǎn)水平的不斷提高，對生產(chǎn)過程自動化水平也相應(yīng)地提出了更高的要求。模擬控制器由于受元件等因素的影響，在制作和實現(xiàn)采集等方面具有一定的局限性，如在控制器有很大的時間常數(shù)時，模擬控制器的電容器的體積就相當(dāng)可觀 ；但若采用單片機來實現(xiàn)大的純延遲時間的控制器就顯得非常方便的，如要改變參數(shù)，只要調(diào)整程序，而不需要更改更多的硬件。最后并用打印機記錄數(shù)據(jù)。檢測時，首先獲取被測量的信息，并通過信息的轉(zhuǎn)換把獲得的信息變換為電量，然后進行一系列的處理，再用指示儀或顯示 儀將信息輸出，或由計算機對數(shù)據(jù)進行處理，最后把信息輸送給執(zhí)行機構(gòu)。 圖 21 系統(tǒng)的框圖 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 8路數(shù)據(jù)采集：可以進行 8路 0～ 5V的模擬電壓進行循環(huán)采集，每路采集的 8次，超出界限 LED顯示報警，將采得的數(shù)據(jù)求平均。 數(shù)字實時顯示： LED將實時顯示采集的數(shù)據(jù)，并且能夠顯示查詢時輸入的查詢量和查詢到的數(shù)據(jù)。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 系統(tǒng)各部分的功能 要完成這些功能主要依靠傳感器、信號處理電路、顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機構(gòu)等。 圖 22 系統(tǒng)功能實現(xiàn)圖 被檢測的各種參數(shù)（溫度、流量、壓力、位移、速度等）由傳感器變換成易于后續(xù)處理的電信號。此外，其他儀器儀表或系統(tǒng)通過通信子系統(tǒng)及接口完成相互之間的信息交換和互連。微機自動檢測技術(shù)不僅能解決傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不能或不易解決的問題，而且能簡化電路、增加功能、提高精度和可靠性等，還能實現(xiàn)人腦的部分功能，使自動檢測系統(tǒng)具有智能化，實現(xiàn)代替人工自動檢測的目的，隨著微機自動檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，自動檢測系統(tǒng)會變得更加智能化、多功能化。根據(jù)測量對象和顯示方法的不同，信號處理電路可以是簡單的傳輸電纜，也可以是由許多電子元件組成的數(shù)據(jù)采集卡，甚至包括計算機在內(nèi)的裝置。它是一種獲得信息的重要手段，它所獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個檢測系統(tǒng)的精度，因而在非電量檢測系統(tǒng)中占有重要的地位。因此需要加以放大才能滿足大多數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入 0～ 5V的要求。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，因此需要的放大器 種類也很多。 （ 3）傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲，常見的工頻信號就是人為干擾源。 （ 4）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡 回檢測，這可以通過多路模擬開關(guān)來實現(xiàn)，這樣可以簡化設(shè)計，降低成本。因此，在多路模擬開關(guān)后的單元電路，如采樣 /保持電路、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及處理電路等，只需要一套即可，這樣可以節(jié)省成本和體積，但這僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下。但當(dāng)分時通道較多時，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當(dāng)信號頻率較高時，使用多路開關(guān)后，對 A/D轉(zhuǎn)換速率要求也隨之上升。模擬開關(guān)也可以根據(jù)需要安排在放大器之前，但當(dāng)輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關(guān)的類型；若選用繼承電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干簧和繼電器組成的多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差產(chǎn)生。 數(shù)據(jù)處理部分 錯誤 !未指定書簽。模擬信號要變成數(shù)字信 號，首先要經(jīng)過采樣，采樣保持器是快速拾取輸入信號的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣保持電路放在模擬多路開關(guān)之前（每通道一個），這可實現(xiàn)對瞬時信號同時進行采樣。 （ 1）實時采樣：數(shù)據(jù)采集開始后，信號波形的第一個采樣點即被采入并數(shù)字化，經(jīng)過一個采樣間隔后。為了不丟失被采樣信號所攜帶的信息，實時采樣的采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理（香農(nóng)定理）的要求， 當(dāng)采樣頻率不滿足采樣定理時將產(chǎn)生信號混疊現(xiàn)象，使采樣后波形中增加了額外的低頻成分，造成失真，引起誤差。實際測量時信號往往會混入各種噪聲，諧波成分豐富，頻帶很寬，智能儀表的采樣速度很難達到采樣定理的要求，這時就應(yīng)在 A / D 轉(zhuǎn)換之前加入抗混疊模擬濾波器，濾掉多余的高頻分量。這種方法不論被測信號頻率如何，一個信號周期內(nèi)均勻采樣的點總數(shù)為 N個。 （ 2）“等效時間采樣”技術(shù)要求信號波形是可以重復(fù)產(chǎn)生的。這樣就可以把許多采集的樣本合成一個采樣密度較高的波形。 采樣保持電路輸出的信號送至 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。因此 A/D轉(zhuǎn)換器的種類也比較多。 A/D 轉(zhuǎn)換器將結(jié)果輸出給計算機，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)在于把一個未知的連續(xù)的模擬 輸入信號（通常為電壓）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即微型計算機能接受的二進制數(shù)。模擬輸入信號的采樣脈沖應(yīng)做得很窄，以便在采樣脈沖空余時間可以進行多路復(fù)用。本系統(tǒng)采用的 ADC0809 采用的是逐次逼近式，此種轉(zhuǎn)換器采用一種極有效的方案來改變比較器的參考輸入，從而只需要 n個時鐘周期就能完成 n位轉(zhuǎn)換。單片機控制整個計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，并且把 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果讀入到內(nèi)存，進行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與機器時間是一一對應(yīng)的，一個數(shù)據(jù)唯一的對應(yīng)一個數(shù)據(jù)，這就方便了數(shù)據(jù)查詢和顯示。 為了讓系統(tǒng)便于操作，按照需要和設(shè)定模式進行運行，那就需要人機交互裝置 ——鍵盤。 測量的目的是使人們了解被測量的數(shù)值，所以必須有顯示裝置。目前常用的顯示方式有模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示三種方式。但這種顯示方式的精度受標(biāo)尺最小分度限制，而且讀數(shù)時易引入主觀誤差。這類檢測儀器還可附加打印機，打印記錄測量數(shù)值，并易于計算機聯(lián)機，使數(shù)據(jù)處理更加方便。如果被測量處于動態(tài)變化中，用一般的顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時可將輸出信號送給計算機進行圖像顯示或送至記錄儀，從而描繪出被測量隨時間變化的曲線，并以之作為檢測結(jié)果，供分析使用。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 第 3 章 數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 在整個系統(tǒng)中硬件是基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)的建立才使系統(tǒng)有運算的可能，硬件的參數(shù)決定了系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。 主要芯片介紹 在系統(tǒng)設(shè)計中，硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩者相互滲透，不可分離。功能強大的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的價格不斷下降，體積不斷縮小，具有很高的性價比，是硬件設(shè)計的首選。因此，這個系列成為主流單片機。 管腳功能： ～ ： P0 口是一個漏極開路型準(zhǔn)雙向 I/O 口。 ～ ： P1 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，它是通用 I/O 端口 。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 ～ ： P2 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 ～ ： P3 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，它是雙功能 I/O 端口。在振蕩信號正常運行情況下，只要 RST引腳保持兩個機器周期以上時間的高電平，系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng) Vcc恢復(fù)時 ，備用電源仍然保持一定時間，以便完成復(fù)位操作，然后重新開始工作。兩引腳連接于單片機內(nèi)部的一個高增益反向放大器，用于與外部振蕩源一起構(gòu)成振蕩電路。 ALE：地址鎖存信號，輸出。在每一個機器周期（ MOVX 指令除外）出現(xiàn)兩個 ALE 正脈沖，當(dāng) ALE為高電平時，地址鎖存的輸出隨輸入變化（這時 P0口輸出的是低 8位地址信息）； 當(dāng) ALE有高電平變成低電平時，鎖存器將地址鎖定，即輸出不再隨輸入變化（ P0口可傳送數(shù)據(jù)信息）。 PROG：片內(nèi)程序存儲器編程脈沖，輸入。 PSEN ：外部程序存儲器讀寫信號，輸出，低電平有效。 RD 、 WR 是用于讀 /寫數(shù)據(jù)存儲器的，而 PSEN 是用于讀程序代碼的，他在應(yīng)用系統(tǒng)中接程序存儲器的讀控制端。 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 EA ：內(nèi)、外程序存儲器選擇信號。當(dāng) EA =“ 1”時選擇訪問單片機內(nèi)部的程序存儲器；當(dāng) EA =“ 0”時選擇訪問外部的程序存儲器。對于 EPROM 型單片機，在對片內(nèi) EPROM 編程時，Vpp引腳輸入 21V的編程電源電壓。正常工作時 Vcc引腳接 +5V電源電壓。正常工作時 Vss引腳接地。該轉(zhuǎn)換器的主要特點是：具有一高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，帶有模擬開關(guān)樹的 256R 分壓器、以及一逐位逼近寄存器， 8個通道的模擬開關(guān)可以直接訪問 8個單端信號中的任何一個。鎖存及譯碼的多路地址輸人和鎖存的 TTL三態(tài)輸出使該器件易于和微處理器接口。這些特點使該器件非常適合于從過程和機器控制到消耗裝置及自動化的應(yīng)用。允許 8路模擬量分時輸入，共用一個 A/D轉(zhuǎn)換器。上升沿時鎖存 3位通道選擇信號。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動 A/D轉(zhuǎn)換。 OE：輸出允許信號，輸入高電平有效。 D0～ D7： 8 位數(shù)字量輸出。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連。當(dāng)脈沖頻率為 640kHz時， A/D轉(zhuǎn)換時間為 100?s。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常 VR+ = ?5V DC， VR = 0V DC。 GND：電源地 零點調(diào)整：這是當(dāng)輸入電壓是 1 / 2LSB （滿量程 時為 20mV ) ，輸出從11111111 變?yōu)? 11111110 。在引腳 5和地之間接一 475Ω 電阻是實現(xiàn)零點調(diào)整的最好近似。沒有調(diào)整時， ADC 0809 的這個電壓在士 1/2LSB 范圍內(nèi)，在大多數(shù)情況下，在引腳 15上加上 1kΩ 的電位器可實現(xiàn)這個調(diào)整。作為一個單獨的增益跟隨器工作，其直流增益精度典型值為 %，采集 時間低至 6μ S在 ％精度時，一個雙極性輸入級用于實現(xiàn)低偏差電壓和寬范圍帶寬。寬范圍帶寬使 LF198 可放于 1MHZ 運算放大器反饋回路內(nèi)，而不引起穩(wěn)定性問題。 JFET 比以前設(shè)計中所用的 MOS器件具有更低的噪聲，而且沒有高溫時的不穩(wěn)定性。 工作在177。 18V 電源下 在 Ck= 下， ％的增益精度 LM198的工作電源為177。 18V。 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計 如果在數(shù)據(jù)采集器中，直接使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)該考慮到任 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 何一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要有一小段時間來完成量化及編碼操作。如在轉(zhuǎn)換時間 TCONV 內(nèi)，輸入模擬信號仍在變化。 現(xiàn)在考慮對正弦波信號 ftVV FS ?2sin? 采樣，在轉(zhuǎn)換時間 TCONV 內(nèi)，信號電壓的最大改變發(fā)生在正弦信號過零時，所以 fvFSdtdV t ?20 ?? 而在轉(zhuǎn)換時間 TCONV 內(nèi)最大可能的 0???? tC ON V dtdVTV 由此可以得出：CONVFS fTV V ?2?? 其中 f為輸入的正弦信號頻率。 )(2 11m a x HzTf C O N VM ??? 其中 M為模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC的分辨率。顯然，如在孔徑時間 Ta 內(nèi)，輸入模擬信號仍在孔徑時間 Ta 內(nèi)，輸入模擬信號仍在變化時進行量化，會引入一定的誤差，稱其為“孔徑誤差”，仍考 慮對輸入的正弦信號采樣，那么對 M 位 ADC，并采用SHA的數(shù)據(jù)采集器。 這樣，數(shù)據(jù)采集時在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC前采用采樣保持放大器 SHA，就解決了 ADC轉(zhuǎn)換時間較長與分辨率要求較短的孔徑時間的矛盾，其實質(zhì)是把模擬信號的離散化與量化 大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 分兩步進行。 ADC 接著進行離散信號的量化。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 1 M a y 20 0 6 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ u s e r \桌面 \ M y D e s i g n .d dbD r a w n B y:I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b 2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D