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1、本科毕业设计说明书1 绪 论 1.1 课题的研究背景及意义 随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社 储为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。 数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统1。数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行
2、相应的计算和处理，得出所需要的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。存储测试系统是一种数据采集系统(DAS)，包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件；一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析；数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读2。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术。网络化测量、采集和控制是其发展
3、的必然趋势。数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。目前，数据采集测试技术已经在许多重大武器型号的研究、研制、生产、验收和使用中得到成功应用，并取得了一系列重要科研成果。在航空、航天、机械、电子等多个领域，解决了过去无法解决的重大测试难题，显示出了突出的优越性。1.2 课题的研究现状及发展前景近几年，Internet网络飞速发展，各式各样的网概念个技术不断涌现，如电子商务（B2B、B2C等）、对等网络（P2P）、Net、移动电子商务、无所不在的电子计算等等，他们改变着人们的生活和工作，同时也深刻的影响着工业领域内的
4、各种采集、控制、监控系统的结构和功能。数据采集系统（Date Acquisition System,简称DAS）目前在工业领域应用非常广泛，在工业领域存在大量远程数据采集系统，这些系统支持着工业领域，如电力、军事、通信等各种生产的正常运行。具体应用如水、电、煤气调度SCADA系统，电力变电站综合自动化系统等。在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能，数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础。数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分，是以传感器、信号测量与处理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的使用性。目前，数据采集
5、技术已广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、测自动试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电等方面。可以预见，随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用。特别是计算机的发展，网络化可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必推动数据采集在更加广阔的领域应用3。1.3 课题的提出与要求 现在，以PC作为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术的重要发展方向。国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF、I
6、OTECH、NI、HP、TEK、ZONIC和VMIC等。他们不断推出各种性能优异、种类齐全的产品。现在应用比较广泛的有这么几类采集系统，ISA数据采集系统、PCI数据采集系统、SCXI数据采集系统、便携式数据采集系统以及USB数据采集系统。目前，虽然市场上有很多不同类型的数据采集产品，但这类产品还存在诸如功能单一、通用性差、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题，这些都限制了其具体应用的范围，这也迫使我们必须从实际出发，设计一套高速的、较为通用的系统，本课题正是基于这一背景下提出来的。本课题的主要目的就是，设计一个数据采集测试系统，对被测参数进行实时数据采集、存储。该系统完成以下几种信号的采集
7、：1六十四路模拟信号，电压范围05V2八路无源开关量信号。 3一路数字脉冲信号，信号形式为TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。 1.4 整体设计方案根据被测参数要求，提出系统整体设计方案，其系统框图如图1. 1所示。 模拟量采集模块数字量采集模块开关量采集模块中心控制模块存储器接口电路PC机图 1.1 整体设计方案整个系统由信号采集模块、存储器模块、中心控制模块、接口电路以及其他的外围辅助电路组成。信号采集模块是存储测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试的精度。模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓冲器等部分组成。被采集的信号经A/D转换成数字信号
8、后存入存储器。电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。数字量和开关量的采集电路同样是在主控制模块的控制下进行的。主控制模块由FPGA及其外围电路组成。FPGA是控制模块的核心部分。主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。 微型计算机与I/O设备的接口按照传输数据方式的不同，可分为并行接口和串行口两种。前者使传输数据的各位同时在总线上传输，后者则使数据一位一位的传输。并行传输又有字并行和字节并行之分，并行接口一般实现的是字节并行传输。本课题采用并口传输方式。 存储器模块在系统中主要完成数字信息的存储。2 系统硬件设计2.1 系统的整体结构 系
9、统的整体结构如图2.1所示：模拟开关A/D转换器存储器接口电路PC机电压跟随器64路模拟信号FPGA中心控制电路1路数字信号电平转换8路开关信号隔离电路驱动电路图 2.1 系统的整体结构图2.2 模拟信号采集通道的设计存储测试系统常常需要多通道同时采集。在此情况下，若是在每个通道都设置一套模拟传输及量化器，是不经济的，有时也是不必要的，特别在有限的体积内有时甚至是不可能的，因此，本系统要根据被测信号的特点与测试要求，模拟信号采集通道采用多路转换器，用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试。模拟信号采集通道的框图如图2.2所示：缓冲器模拟开关A/D转换器64路模拟信号图 2.2 模拟信号采集通道
10、图在本系统中，模拟输入信号的电压范围是05V。本课题采用LM324运算放大器作为电压跟随器，用来稳定输入信号，增加AD9221的输入阻抗。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。在本系统中，考虑到模拟输入信号有64路，所以采用模拟开关来实现数据的传输是很有必要的。2.3 数字信号采集通道的设计1路数字信号，由于输入是TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。所以数字信号必须经过电平调整处
11、理，才能够存入存储器（存储器输入电压为3.3V，后面会有介绍）。下面是一个调压电路:D1是一个3.3V的稳压管，如果输入电压大于3.3V，则将AS1输出电压钳制在3.3V，起到了调压的作用。如果是低于3.3V，那么电压将不改变。图2.3 调压电路2.4 开关量采集通道的设计 开关信号分为有源和无源两种，开关信号需要经过隔离和驱动才能与执行机构相连接。造成执行机构的误动作。开关量隔离的目的在于直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素。在本设计中，采用光电耦合器件作为隔离器件，74HC14作为驱动器件2.4.1 开关量隔离电路的设计 光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路，如图2.4所示。
12、发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号转变为光信号，光敏三极管接受光信号再将它转变为电信号。 光电耦合器件的特点是：输出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上。无触点，寿命长，可靠性高。响应速度快，易于TTL电路配合使用。图2.4 开关量隔离电路 图2.4电路的工作过程如下：当输入为低电平时，流过发光二极管的电流为零，光敏三极管截止，输出为高电平。当输入为高电平时，电流经R71流经发光二极管使其发光，光信号的作用于光敏三极管，使其饱和导通，输出为低电平。所以光电耦合器件兼有反相及电平转换的作用。R71为限流电阻，其阻值决定了发光二极管的
13、导通电流，此电流一般选为数毫安。R72的取值要保证输出的高、低电平要求。光电耦合器件的一个重要参数是电流传输比CTR，当输入为高电平时，须使R72+V/（CTR*输入电流）才能保证输出为低电平。如果R72选的太大，则输出电压带动拉电流负载的能力减弱，光敏三极管的暗电流也会对输出高电平造成不利影响。因此，需要综合各方面的因素来确定R72的阻值。2.4.2 开关量驱动电路的设计开关量驱动电路采用TTL三态门缓冲器，本设计采用74HC14，它的驱动能力要高于一般的TTL电路，如图2.5所示。74HC14是六芯片集成电路，内部包含六组形式完全相同的反相器，除电源共用外，六组反相器相互独立。74HC14
14、 是施密特输入反相器芯片, 输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平, 使输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿. 施密特输入只是使得上跳沿和下降沿变得比原始输入信号的上升和下降更加陡峭一些，也就是在数字电路起整形作用。图2.5 开关量驱动电路2.5 模拟开关的选择 模拟开关是数据采集系统中的主要器件之一，它的作用是切换各路输入信号。在测控系统中，被测物理量通常是几个或几十个。为了降低成本和减小体积，系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及A/D转换等器件，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。多路开关有机械触点式开关和半导体模拟开关。机械触点式开关
15、中最常用的是干簧继电器，它的导通电阻小，但切换速度慢。集成模拟电子开关的体积小，切换速率快，无抖动，耗电小，工作可靠，容易控制。它的缺点是导通电阻较大，输入电压电流容量有限，动态范围小。在较低频段上（f10MHz）则采用双极型晶体管工艺技术。集成模拟电子开关在测控技术中得到广泛应用。在设计中往往要用到模拟开关，对于不同的用途需要选择不同的模拟开关。在选择时要考虑以下参数:1、通道数量通道数量对传输的被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄露电流通常也越大，特别是在使用集成模拟开关时，虽然只有其中一路导通，但由于其他模拟开关断开时（此时处于高阻状态）仍存在漏电流，从而也要对导通的那一路开关产生影响：通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。2、导通电阻理想的多路开关其导通电阻应为零，断开电阻应为无穷大，但是实际中的模拟开关无法达到这个要求。模拟开关
