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1、华中科技大学 硕士学位论文 数据采集系统的开发与设计 姓名：田应军 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：刘昌玉 20070614 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 数据采集是测量和计算机控制的主要工具和手段，它广泛应用于电气测量、自 动控制和大型设备故障诊断等领域。针对不同的应用领域和功能要求设计数据采集 系统也一直是工程实践中的重点和难点。 本论文针对 25Hz 轨道电路，分析了数据采集系统的功能要求和性能指标，提 出以 TMS320LF2407A DSP 芯片为中央处理器、片内 ADC 模块为数据转换器和 RS-485 为网络通讯手段的解决方案。
2、 本论文设计了以 TMS320LF2407A 为核心处理器的硬件平台。 对其中的电源电 路、时钟电路和仿真接口电路设计作了详细说明，并讨论了片内 ADC 模块中的采 样时间预定标和自校准模式的优势。通过分析比较实际应用中使用较广泛的三种有 源滤波电路（巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔滤波电路）的优缺点，选择了巴特沃斯 低通有源滤波器作为信号的前置滤波。在同步采样控制中，采用实时采样方式，通 过测量同步信号的频率，分频后控制 ADC 的采样频率，实现了多路信号的同步采 样。DSP 与 PC 机的通讯以 RS-485 为基础，分析了 RS-485 总线在组网过程中因地 线的不正确连接引发的共模干扰和 E
3、MI 问题，并提出了解决方法。 在 CCS 平台下， 设计了数据采集系统中 DSP 的程序。 分析了 ADC 的误差来源， 阐述了校正失调和增益误差的方法。采用了 FFT 对交流信号进行处理。 在本论文的研究基础上开发出数据采集系统，经过现场测试，证明该系统具有 很高的稳定性和高效性。 关键词关键词： 数据采集;DSP;轨道电路;RS-485 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Data acquisition is the chief tool in measurement and computer-control and is wildly used i
4、n many fields, such as electric measurement、automatic control and fault diagnosis. The design of data acquisition system that meets different application fields and different function demands is always the key point in engineering field. According to the 25Hz railway circuit, this paper analyzes the
5、 functional requirements and qualifications of data acquisition system. The design of data acquisition system based on digital processor controller、on-chip ADC and RS-485 communication technology is put forward. In this paper, the hardware based on TMS320LF2407A is presented. The design of DSP minim
6、um system contains the power system、clock system and emulation interface circuit. The dominance of ADC clock prescaler and self-calibration are expatiated. By analyzing the advantage and disadvantage of three wide used active filter circuits (Butterworth, Chebyshev and Bessel filter circuits) in pra
7、ctical application, the active low-pass Butterworth filter is chosen as a pre-filter. In synchronous data acquisition controlling, the multiple-channel synchronous sampling implemented by controlling ADC with divided frequency of synchronous signal in real-time sampling. The problem in the communica
8、tion between DSP and PC based on RS-485 is presented, and the solution of common-mode disturbance and EMI which are generated by incorrect ground connection is stated. The program on DSP is designed on the platform of CCS. According to the cause of offset error and gain error, one method of ADC cali
9、bration is stated. In data dealing module, FFT calculation is used. On the basis of this paper, the device used for data acquisition is developed, and is proved stable and efficient by field testing. Keywords：data acquisition; DSP; track circuit;RS-485 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
10、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
11、后适用本授权书。 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 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 概述概述 随着计算机技术的发展，在通信、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息 系统中，计算机技术正发挥着重大作用。在工业生产过程中，用数字计算机代替自 动控制系统中的常规控制设备，显示出巨大的优越性和良好的发展前景。计算机控 制系统充分利用计算机的高精度、高速度、大存储容量和强大的逻辑判断能力等优 点，可以实现以前很难实现的高级复杂算法，从而得到非常好的控制效果。计算机 强大的信
12、息处理能力， 能够将监视和控制有效的结合起来， 从而使工厂实现自动化。 然而，在我们周围的世界中，几乎所有的物理量都是时间连续、数值连续的信号， 如温度、压力、速度等信号，要将这些信号送入到计算机中处理，就必须先将信号 离散化，并进行量化编码，从而变成计算机所能识别的数字信号，这个过程被称为 数据采集，它是计算机监控取得原始数据的主要手段12。 数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也 可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、 量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。用于 数据采集的成套设备称为数据采集系
13、统1（Data Acquisition System，DAS） 。数据采 集系统主要追求的目标有两个：一是精度，二是速度。对任何测量都需要有一定的 精度要求，否则测量将失去意义。速度的提高，不仅能提高工作效率，而且能扩大 数据采集系统的适用范围，更能细微、仔细的反映被观测对象的特征。 现代数据采集系统一般具有以下主要特点： (1) 现代数据采集系统一般利用了计算机的高处理速度、大存储容量和绚丽显 示效果，使得系统的性能有了很大的提升，也节省了硬件资源； (2) 软件在数据采集系统中的地位越来越高， 增强了系统设计和应用的灵活性； (3) 数据采集系统中的数据采集和数据处理联系日益紧密， 可以完
14、成数据采集、 数据处理和控制过程； (4) DSP 在数据采集系统中发挥着巨大作用， 以 DSP 芯片作为数据处理核心的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 数据采集系统得到广泛应用； (5) 高速数据总线在数据采集系统中广泛应用，提高了系统与计算机之间的数 据吞吐量； (6) 生产实践过程中的对实时性的要求不断增强，从而促使数据采集系统的速 度不断提高，精度也不断提高； (7) 随着微电子技术的迅猛发展，电路的集成度提高，使数据采集系统的体积 越来越小，可靠性越来越高，甚至出现 SOC（System On Chip：片上系统） ； 1.2 数据采集系统的发展与现状数据采集系统
15、的发展与现状 数据采集是测量和计算机控制的主要工具和手段，数据采集系统的设计也一直 是生产实践和科学研究中的重点和难点。随着科学技术的发展和数据采集技术的广 泛应用，数据采样系统对采样率、分辨率、数字信号处理速度、抗干扰能力等技术 指标的要求更加严格。不同的应用场合对各项指标的要求也不尽一致，例如，雷达 运动控制、爆炸检测、医疗设备（如 CT、核磁共振） 、快速生产过程（如石油化工 过程）等领域，需要高速或超高速数据采集系统来完成；生物电信号检测、微小位 移测量和厚度测量等工作需要数据采集系统有很高的精度；而在某些工厂的自动化 控制中，对数据采集系统的采样速度和精度都要求严格34。 随着微电子
16、制造工艺水平的不断提高和数据处理方法的进一步完善和成熟，数 据采集系统的性能有了很大的提高。 就数据采集系统中最重要的 A/D 芯片的发展来 说，A/D 转换的精度、速度和通道数都在不断的提高。采样通道由以前的单通道发 展到双通道、多通道，分辨率由 8 位、16 位提高到了 24 位，采样速度由原来的几 Msps 提高到上十 Gsps。而在数据分析的微处理器上，最初的数据采集系统以 8 位 单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新兴单片机的不断问世，16 位、32 位单片机也为数据采集系统研制厂家所采用。 现在数据采集系统采 DSP 芯片作为核 心 CPU 已成为趋势，从而使得系统的实时处理能力和精度得到很大的提升。总之， 伴随着高性能微处理器的采用
