数据采集及处理系统设计.doc

数据采集及处理系统的设计 1 设计方案 1.1 设计原理 数据采集和处理是计算机控制系统的重要组成部分，在工业控制机和生产过程之间，要对生产过程进行实时控制，就要实时的了解生产状态，这就要求采集大量的模拟信号或数字信号进行分析，并输出有一定意义的、更直观和易于理解的模拟量或数字量，以对控制进行指导，调整控制方案。随着自动控制的发展，数据采集及处理将会得到越来越多的应用。 本次设计要求设计一个64路巡回数据采集及处理系统，系统循环周期为1秒，16路模拟信号输入，16路开关信号输入，16路模拟输出，16路数字输出。数据采集及数据处理的过程比较简单，很直观的想象为采集数据，输入到CPU，输出数据。在这一过程中，还要有数据通道选择，为了适应芯片的电压值，还可能需要把传入的模拟电压放大或缩小。转换成模拟信号后，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。 在输出过程中，芯片输出可能为电流信号，可能为电压信号，按照本题目，需将电流信号转换成电压信号。 1.2 设计方案认证 因为设计架构较简单，可以选择一些性能参数不是太高但是能满足设计要求、价格低廉的芯片。 数据采集系统主要需要解决的是模拟量输入通道问题,在众多的模拟量输入中,需要确定模拟量输入通道的结构。模拟量通道结构有两种：其一,每路模拟量均有各自独立的A/D转换器、采样/保持器;其二,多路模拟量共用一套采样/保持器、A/D转换器。 在两种结构中,前者电路结构简单,程序设计方便,由于每路模拟量均需各自独立的AD转换器,所以,尽管只有一个处理器,但A/D转换是并行的,具有很快的转换速度。由于使用的A/D转换器数量多,故总体成本高昂,仅在高速数据采集系统中采用;后者具有经济实用等良好特点,在性能指标要求许可的情况下,一般采用该方案。尤其高性能的A/D转换器件不断推出,选择一种A/D转换器满足多路数据采集还是比较容易的。因此，设计中选择了多路选择开关4067。 D/A转换部分主要解决数字到模拟的功能，最常用的数模转换器为DAC0832，将输入的数字量转换成差动的输出。为了使其能变成电压输出，又要经过运算放大器。 模拟输出通道也有两种基本结构形式：一个通道设置一个数/模转换，速度快，工作可靠，缺点是使用了较多的D/A转换器；多个通路共用一个数/模转换器，即转换成模拟电压后，通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。这种结构形式的优点是节省了数/模转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。还要用多路开关，且要求输出采样保持器与采样时间之比较大。 2输入输出通道 2.1 输入输出系统框图 输入输出通道及CPU的一般构成如图1所示，主要由数据采集、采样保持、A/D数据转换、CPU、D/A数据转换和输出部分组成。 图1 系统框图 2.2 输入输出通道的组成 数据采集 数据采集端口为16路，可以按照需要选定其中1路端口，为实现此功能，采用了4067芯片，4067用来切换信号的传输十分方便。 4067芯片具备1个使能端，4路地址码端，构成16状态，控制16路信号的输入。根据要求，输入模拟信号为0~20mV，而A/D转换芯片0808输入为-5V~+5V，为了提高分辨率，我们将输入信号进行放大，采用了同相比例放大电路。 A/D转换器 实现模拟量变换成数字量的设备，ADC0808/0809是带有8：1多路模拟开关的8位A/D转换单片CMOS芯片，所以它可有8个模拟量的输入端，由芯片的A，B，C三个引脚来选择模拟通道中的一个。ADC0808/0809内无时钟，必须靠外部提供时钟，在进行应用设计时，推荐使用640KHz左右的时钟频率。 图2 ADC0809芯片 因为在PROTEUS ISIS里没有ADC0809的仿真模型，很多人都遇到不能仿真含有ADC0809芯片的电路的问题，可用ADC0808代替，这两个芯片差别不大。 ADC0809各引脚的功能说明如下： 、、～。 ～：8路模拟信号输入通道。 ：地址锁存允许输入端(高电平有效)，当为高电平时，允许、、、、 ：启动信号输入端，此输入信号的上升沿使内部寄存器清零，下降沿使A/D转换器开始转换； ：A/D转换结束信号，它在A/D转换开始时由高电平变为低电平，转换结束后，由低电平变为高电平，此信号的上升沿表示A/D转换完毕，常用做中断申请信号。 ：输出允许信号，高电平有效，用来打开三态输出锁存器，将数据送到数据总线。 ：外部时钟信号输入端，改变外接RC元件，可改变时钟频率，从而决定A/D转换的速度。A/D转换器的转换时间TC等于64个时钟周期，CP的频率范围为10～1280kHz。当时钟脉冲频率为640kHz时，TC为100us。 和：基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。 ：地线。 D/A转换器 实现数字量转换成模拟量的设备，