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1、华中科技大学 硕士学位论文 高性能低成本便携式多点数据采集仪的研制 姓名：李钊 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：凌宏江 20090527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 人们在日常生活、生产制造和科学研究当中经常需要对指定目标进行测试和信 息采集，数据采集系统便能够满足这种需求。在计算机技术、电子封装、新材料的 高速发展下，数据采集仪的研发水平也在不断地提高，采集的速度、精度和通道数 等都越来越先进。但是，目前市场上有的数据采集仪的成本非常的高，有的速度达 不到高速采集的要求。因此，本课题的目的就是研发一种高性能、低成本、智能型 的便携式多点数
2、据采集仪。 本文首先比较了目前市场上常见的数据采集仪，并分析了各种采集仪的优缺点， 然后以消失模铸造中金属液流动前沿的温度场、压力场和流动场为目标对象，提出 本数据采集仪的各项性能指标，最后详细介绍了本数据采集仪的硬件和软件设计。 为兼顾性能、成本和通用性，本课题采用了高性能单片机 C8051F350 作为核心 器件，此单片机内置有高达 24 位分辨率的 A/D 转换器。考虑到数据采集仪的扩展性 能，整体结构以控制板和采集板分离的设计方式，针对不同的采集目标的通道数要 求，通过增减下位机采集板，来方便地调整数据采集仪采集的通道数目。 此外，市场上的采集仪较多的采用 PCI 和 PXI 总线，虽
3、然采集速度较快，但是 存在着便携性较差、 成本高等缺点， 本次数据采集仪采用了 USB 作为数据传输总线。 新华龙公司生产的 C8051F320 单片机自带 USB 控制器，免去了单独扩展 USB 转接 芯片的工作，并且与下位机的 C8051F350 具有通用性，完全可以满足上位机与计算 机通讯的任务。 实验证明，本文研发的低成本数据采集仪具有较快的采集速度、较高的采集精 度，并且也具有良好的便携性和通用性。 关键词：关键词：数据采集 USB C8051F 便携性 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In our daily life, production
4、 and scientific research the people often need to test and collect the information of the designated target, and data acquisition system is the equipment which can satisfy the requirement. With rapid development of computer, electronic packaging and new materials, the research and design of data acq
5、uisition have continuously improved. Acquisition speed, precision and the number of channel have become more and more advance. But on the market the cost of some data acquisition is very high, and acquisition speed does not meet the requirement of high- speed acquisition. So, the purpose of this top
6、ics is to research a high- performance, low- cost, intelligent and portable multi- point data acquisition. This article firstly compares the common data acquisition instrument on the market, analyzing the advantages and disadvantages of all kinds of data acquisition, and then takes the liquid metals
7、 temperature, pressure and flow field in LFC as the acquisition target, setting the parameter of the data acquisition. At last introduction the hardware and software design of the data acquisition system. Balance between performance, cost and versatility, this subject has used C8051F350 as core devi
8、ce which is a high- performance MCU has 24- bit resolution A/D converter. Taking into account the expansion performance of the data acquisition, set the overall structure as separation of the control panel and the collection plate. Aiming at different demand of acquisition target, we can use more co
9、llection plates to add more acquisition channels. Besides, usually PCI and PXI bus are designed in acquisition instrument, although acquisition speed is very fast, there are shortcomings of poor portability and high cost. The data acquisition in this paper has used USB bus as data transmission bus.
10、The C8051F320 produced by Silicon Laboratories has USB controller, no need to expand USB adapter chip, and have general with C8051F350 of collection plate. It can fully meet the demand of communication tasks between the control panel and PC. Experiments showed that the data acquisition instrument in
11、 this paper has advantages of high- speed, high- precision, and good portability and versatility. Key Words: Data Acquisition USB C8051F Portable 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位
12、论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题的
13、来源、目的与意义课题的来源、目的与意义 在日常生活、科学研究和生产制造中，人们经常需要获取对象目标的各种信息， 数据采集仪器便满足了人们的这种需求。数据采集仪能够通过不同的传感器获取温 度、压力、流量、速度、位移等各种物理量，并将这种模拟信号转换成计算机可以 识别的数字信号，经过对数据的分析处理之后能够自动生成报表、显示信号波形和 输出打印等。数据采集仪扮演着越来越重要的角色。 随着计算机技术的发展，数据采集仪也加快了更新换代的步伐，许多高速度、 高分辨率、大存储量的高性能数据采集仪不断的涌现出来。目前市场上的数据采集 仪器品种繁多，性能各异，价格也相差很大。这些性能较高的数据采集系统，其售
14、价却非常昂贵，而价格便宜的却在速度、稳定性上达不到要求，另外还有一些数据 采集仪的体积非常大，存在不易携带的缺陷。 因此，本课题的目的是研制出一款低成本、高性能的多点数据采集仪，结合消 失模铸造金属液流动前沿的数据采集的要求，制定了仪器的性能指标。该仪器具有 可扩展性，且便携性能好，采用 USB 总线的连接方式，更易于与计算机进行数据交 换。 1.2 数据采集仪简介数据采集仪简介 1.2.1 数据采集仪的基本功能数据采集仪的基本功能 根据数据采集仪的作用和完成的任务，我们知道它应具备以下几方面功能12。 （1）对目标物理量进行采集 数据采集仪按照程序设定要求，采用设置好的周期，收集传感器发出的
15、模拟信 号。针对不同任务，还需要对数字信号、脉冲信号、开关量信号进行采集。 （2）模拟信号的处理 模拟信号包括两类，一类是电压信号，一类是电流信号，这些模拟信号随着时 间连续变化，即在连续一定的时间内，信号的幅值是连续的，量与量之间没有间断。 这些模拟信号经过 A/D 转换器处理之后，输出为计算机能够识别的数字信号，然后 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 再由计算机来进行数据的分析、判断、线性变化等。 （3）数字信号的处理 数字信号在计算机系统中，是由有限字长的数字组成，每个数字非零即一，其 特点是只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。当数字信号传送到计算机之后， 计算机需要
16、将二进制的代码转换成 ASCII 码等，方便数据的显示输出。 （4）开关信号的处理 按键开关、行程开关、光电开关等发出的信号即为开关信号。开关信号的采集 主要目的是检测的各个器件的状态变化，由计算机进行判断，并做出相应的反应。 （5）数据处理与计算 对于收集到的传感器信号，直接拿来使用并不能真实的反应目标物理量的真实 值，需要对这些数据进行一些数学运算，如求平均值、差值、最大值、最小值、变 化率等，经过处理后的数据更能够满足人们对数据采集的不同要求。 （6）数据存储 对于现场采集而来的数据，对其整理之后，为日后的调用与参考，需要把这些 数据存储起来。可以设定一定时间间隔，或者数据达到一定的容量的时候存储在外 部存储器上。 （7）人机对话 操作人员操作数据采集仪，数据采集仪按照操作者的意图，调用内部特
