电子工程论数据采集系统.doc

1 前 言 1.1 研究意义 在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。数据采集技术是信息科学的重要分支，是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术结合。将外部世界存在的温度、压力、液位等转换为模拟或数字信号，再传送到计算机作进一步处理的这一过程，即“数据采集”。数据采集已在工农业，医药卫生，生态环境，航天航空，军事，气象等领域得到了广泛的应用，可以通过对信号测量，处理，控制及管理，实现测、控、管的自动化与系统化。而利用Philips公司推出的增强型80C51单片机系列P89C51RA2和TI公司的11路12位串行模数转换芯片TLC2543组成多路高精度的数据采集系统，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。并可通过USB数据总线接口与PC机进行数据通信，在PC机上实时地显示和存储采样数据，本系统可应用于实验室或工业现场等多种场合的多路数据实时采集。 1.2 研究内容 本文介绍的是基于80C51单片机和TLC2543的多路数据采集系统的设计，这个系统的基础是数据采集系统。本文先对数据采集系统做简单的介绍，然后根据此次毕业设计的要求，使数据采集系统在功能上具体化，细致化，实现多路数据采集系统的设计要求。本系统可以实现对14路模拟信号的采集，然后根据需要将14路模拟信号中的任一路或多路信号进行模-数转换，并通过USB接口，在PC机上实时的显示出来。本文采用P89C51RA2作为核心控制部件，它功能比较齐全，可以满足系统设计的需要。单片机控制数据的采集、显示、传输，它是整个系统的核心，而TLC2543则是此数据采集系统的A/D转换芯片，它使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源，且价格适中，分辨率较高。本设计的主要任务是TLC2543和单片机的接口电路设计，输入信号的调理电路设计以及A/D转换程序的编写。 2 数据采集系统的构成 在任何计算机测控系统中，都是从尽量快速，尽量准确，尽量完整的获得数字形式的数据开始的。因此，数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。 70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因为由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。 数据采集系统一般由信号调理电路，采样保持电路，A/D转换芯片，微处理器组成。结构框图如图2-1所示。 图2-1 数据采集系统结构框图 其中信号调理电路，它是传感器与A/D之间的桥梁，也是测控系统中重要组成部分。信号调理的主要功能是： (1)目前标准化工业仪表通常采用0~10Ma，4~20mA信号，为了和A/D的输入形式相适应，必须经I/V变换成电压信号。 (2)某些测量信号可能是非电压量，如热电阻等，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号是弱电压信号，如热电偶信号，必须放大，滤波，这些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等。 (3)某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集的任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离，路间隔离等等。 综上所述，非电量的转换，信号形式的变换，放大，滤波，共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。 信号调理电路包括电桥，放大，滤波，隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。电桥电路的典型应用之一就是热电阻测温。用热电阻测温时，工业设备距离计算机较远，引线将很长，这就容易引进干扰，并在热电阻的电桥中产生长引线误差。解决的办法有：采用热电阻温度变送器：智能传感器加通讯方式连接：采用三线制连接方法。 信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求(失调及失调温漂)，速度要求(带宽、上升率)，幅度要求(工作电压范围及增益)及共模抑制要求。常用于前置放大器的有uA741，LF347(低精度)，OP-07(中精度)，ICL7650(高精度)等。 滤波和限幅电路通常采用二极管，稳压管，电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。此外，由于限幅值比最大值输入值高，当使用多路开关时，某一路超限时可能影响其他路，需要选用优质模拟开关如AD7501。 共模电压的存在对模拟信号的处理有影响。高的共模电压会击穿器件，即使没有损坏器件，也会影响测量的精度。隔离是克服共模干扰影响的有效措施。常用的隔离方法有：光电隔离，采用隔离放大器