【正文】 設(shè)計(jì)，輸入信號的調(diào)理電路設(shè)計(jì)以及A/D轉(zhuǎn)換程序的編寫。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的橋梁起著非常重要的作用。原來由小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，采樣保持電路，A/D轉(zhuǎn)換芯片，微處理器組成。采樣保持電路A / D轉(zhuǎn)換微處理器信號調(diào)理電路圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中信號調(diào)理電路，它是傳感器與A/D之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要組成部分。(2)某些測量信號可能是非電壓量，如熱電阻等，這些非電壓量信號必須變?yōu)殡妷盒盘?，還有些信號是弱電壓信號，如熱電偶信號，必須放大，濾波，這些處理包括信號形式的變換，量程調(diào)整，環(huán)境補(bǔ)償，線性化等。綜上所述，非電量的轉(zhuǎn)換，信號形式的變換，放大，濾波，共模抑制及隔離等等，都是信號調(diào)理的主要功能。根據(jù)不同的調(diào)理對象，采用不同的電路。用熱電阻測溫時，工業(yè)設(shè)備距離計(jì)算機(jī)較遠(yuǎn)，引線將很長，這就容易引進(jìn)干擾，并在熱電阻的電橋中產(chǎn)生長引線誤差。信號放大電路通常由運(yùn)放承擔(dān)，運(yùn)放的選擇主要考慮精度要求(失調(diào)及失調(diào)溫漂)，速度要求(帶寬、上升率)，幅度要求(工作電壓范圍及增益)及共模抑制要求。濾波和限幅電路通常采用二極管，穩(wěn)壓管，電容等器件。此外，由于限幅值比最大值輸入值高，當(dāng)使用多路開關(guān)時，某一路超限時可能影響其他路，需要選用優(yōu)質(zhì)模擬開關(guān)如AD7501。高的共模電壓會擊穿器件，即使沒有損壞器件，也會影響測量的精度。常用的隔離方法有：光電隔離，采用隔離放大器等。但傳統(tǒng)的采集方式是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡，采用這種方式不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。本USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用了A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、溫度控制技術(shù)、微處理器和USB技術(shù)，是伴隨著USB技術(shù)的迅速發(fā)展與新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。A/D轉(zhuǎn)換速率越高，復(fù)現(xiàn)的波形的分辨率也就越高：A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，精度越高，波形保真性越高。其中溫度控制技術(shù)、USB技術(shù)和數(shù)據(jù)采集波形的實(shí)現(xiàn)由第三方設(shè)計(jì)完成，這里不在介紹。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:微處理器11路模擬輸入信號電壓跟隨器數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換 器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從以上兩個結(jié)構(gòu)圖中可知，11路模擬輸入信號通過電壓跟隨器濾波后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器把經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB控制芯片輸出給計(jì)算機(jī)，同時可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示；而USB主機(jī)及顯示部分則通過輸出接口在PC機(jī)上顯示，采用軟件來模擬顯示輸入信號的波形。 硬件電路的芯片選擇在選擇一個芯片時，用戶一般考慮的是芯片含有的功能、價位、是否容易取得以及是否容易開發(fā)等因素。 單片機(jī)芯片選擇本設(shè)計(jì)中我們采用了Philips公司推出的增強(qiáng)型80C51單片機(jī)P89C51RA2，此芯片包含8K可并行可編程的非易失性FLASH程序存儲器，并可實(shí)現(xiàn)對器件串行系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP)。在應(yīng)用中編程 IAP(InApplication Programming)，MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對自己重新編程，這種方法允許通過調(diào)制解調(diào)器連接進(jìn)行遠(yuǎn)程編程片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)的串行加載程序Boot Loader允許。此外也可通過時鐘控制寄存器CKCON中的X2位選擇6時鐘或12時鐘模式，另外當(dāng)處于6時鐘模式時外圍功能可以選擇一個機(jī)器周期6時鐘或是12時鐘，這是通過CKCON寄存器進(jìn)行選擇的。該器件有4組8位I/O口、3個16位定時/計(jì)數(shù)器、多中斷源4中斷優(yōu)先級嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、1個增強(qiáng)型 UART 片內(nèi)振蕩器及時序電路和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)64K、PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)、硬件看門狗定時器。 模—數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇近年來模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展很快，在功能增強(qiáng)、功耗降低的同時轉(zhuǎn)換速度也極大地提高，轉(zhuǎn)換頻率從幾百kHz提高到幾十MHz，而且芯片也較廉價，使用也日益廣泛。(1) 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：速度高，外用元器件也不多，大多數(shù)單片集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片多采用此種方式。此外，A/D轉(zhuǎn)換器本身對輸入信號中的噪聲無抑制作用，必須采用外加軟硬件抗干擾措施，才能抑制輸入信號中大部分隨機(jī)干擾。這種轉(zhuǎn)換方式的速度主要受兩個因素的限制：一是每次循環(huán)進(jìn)行電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換的時間；二是余數(shù)模擬電壓的建立時間。(3) 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，電路結(jié)構(gòu)簡單，編碼方便，但轉(zhuǎn)換速率低，常用于速度要求不高，精度要求較高的測量儀器儀表中。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，在一些非快速的檢測信道中愈趨向使用V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器代替通常的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速率也高于積分式ADC，因此，∑—?式A/D轉(zhuǎn)換器是用于戶外智能儀器儀表和工業(yè)過程參數(shù)檢測控制的優(yōu)先選擇。具有三個控制輸入端：片選，輸入/輸出時鐘I/O CLOCK以及地址輸入端AD_DIN。本器件可以從主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。采樣保持是自動的。本器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。此多通道，小體積的TLC2543C器件，線性誤差小 (177。TLC2543的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。通道選擇器根據(jù)輸入地址寄存器中存放的地址選擇輸入通道，并將輸入通道中的信號送到采樣保持電路中，然后在12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器中將采樣的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存放到輸出寄存器中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過并行→串行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，由AD_OUT端輸出到微處理器中。因此要盡可能選擇微處理器的最高始終頻率，以減小指令周期時間，優(yōu)化接口數(shù)據(jù)傳輸速率。TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)束端EOC、I/O時鐘、串行數(shù)據(jù)輸入端AD_DIN、串行數(shù)據(jù)輸出端AD_OUT片選CS分別連接單片機(jī)的并行雙向I/、。在噪聲影響較大的環(huán)境中，建議每個電源和陶瓷電容端并聯(lián)一個10μF的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。所有的地線回路都有一定的阻抗，因此地線要盡可能寬或用地線平面，以減小阻抗，連線應(yīng)當(dāng)盡可能短，如果使用開關(guān)電源，則開關(guān)電源要遠(yuǎn)離模擬器件。 電壓跟隨器的設(shè)計(jì)電壓跟隨器由3個LM324四運(yùn)放電路和若干個電阻和電容設(shè)計(jì)而成的。下面簡要介紹一下LM324。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。兩個信號輸入端，Vi()為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 圖 6 圖 7由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。同相輸入端的電阻和電容設(shè)計(jì)成了一個低通濾波器，目的是通過濾波保證模擬電壓信號能夠無失真的從輸出端輸出，電壓跟隨器采用的外部供電，其作用就是保證模擬輸入電壓能夠穩(wěn)定的輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性。Altium Designer 6是最新一套完整的板卡級設(shè)計(jì)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)在單個應(yīng)用程序中的集成。Altium Designer 6線路圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全利用了Windows XP和Windows 2000平臺的優(yōu)勢，具有改進(jìn)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)的圖形功能和超強(qiáng)的用戶界面。后半部分為數(shù)據(jù)通信模塊。制作原理圖步驟：(1) 創(chuàng)建一個新的PCB項(xiàng)目(2) 創(chuàng)建一個新的原理圖圖紙(3) 放置器件(4) 連接電路 畫PCB圖在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，在整個PCB中，以布線的設(shè)計(jì)過程限定最高，技巧最細(xì)、工作量最大。由于本設(shè)計(jì)采用的是單面板且用交互式布線既手工布線。此次設(shè)計(jì)經(jīng)過合理放置元件和多次改進(jìn)，最后終于克服一切困難，在跳線很少的情況下把線路布通，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在電路內(nèi)部，直接用板上剩余空間的大面積接地來提高電路信號的穩(wěn)定性。圖10 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PCB圖PCB布線原則：(1)電源、地線的處理電源、地線的處理不好會引起干擾，使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。l 在電源、地線之間加上去耦電容，濾除噪音干擾。 l 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。(2) 數(shù)字電路與模擬電路的共地處理現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路)，而是由數(shù)字電和模擬電路混合構(gòu)成的。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結(jié)點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開的，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)，數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接，這在設(shè)計(jì)時必須考慮，只有一個連接點(diǎn)。(3) 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：①線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。 ③對于關(guān)鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護(hù)線，輸入線及輸出線被明顯地分開。 ⑤后加在PCB中的圖形(如圖標(biāo)、注標(biāo))是否會造成信號短路。打印時注意打印層的設(shè)置，還有要保留焊盤孔，方便后面的鉆孔。把打印紙的正面向下平放在感光板上，用玻璃壓緊，然后在白熾燈下照射大約12分鐘。④鉆孔、插元器件、焊接。(1) I/O周期I/O周期由外部提供的I/O CLOCK定義，延續(xù)12或16個時鐘周期，決定于選定的數(shù)據(jù)長度。首先，在I/OCLOCK的前8個脈沖的上升沿，以MSB前導(dǎo)方式從DATA INPUT端輸入8位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。I/O周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度(位數(shù))同時由輸入數(shù)據(jù)的DD2位選擇為12或16。其次，在DATA OUT端串行輸出8位、12或16位數(shù)據(jù)。若轉(zhuǎn)換由控制，則第一個輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在的下降沿。(2) 轉(zhuǎn)換周期在I/O周期的最后一個I/O CLOCK下降沿之后，EOC變低，采樣值保持不變，轉(zhuǎn)換周