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1、,13.1 系统设计的基本原则,13.2 系统设计的一般步骤,13.3 系统A/D通道的确定,第13章 数据采集系统设计,13.4 微型计算机配置方案的选择,13.5 系统的误差分配及速度估计,13.1 系统设计的基本原则,主要从硬件设计和软件设计两个方面考虑,硬件设计的 基本原则,经济合理,安全可靠,有足够的抗干扰能力,一定要注意在满足件能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，应在满足速度、存储存量、兼容性、可靠性的基础之上，合理地选用微机和外设，而不是片面追求高档微机以及外设。,选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的下作环境下，系统性能稳定
2、、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常正作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。,13.1 系统设计的基本原则,软件设计的 基本原则,结构合理,操作性能好,提高程序的执行速度,具有一定的保护措施,给出必要的程序说明,程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在程序编写时，要尽量利用于程序，使得程序的层次分明，易于阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。,系统应设计一定的检测程序，如状态检测和诊断检测
3、，以便系统发生故障时，便于 查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。,当程序为汇编语言程序时，指令尽可能采用零页寻址方式，少用或不用间接寻址指今；当进行单通道数据采集时，不要将通道选择指令包括在循环体内。尽量采用高级语言与汇编语言混合编程，以发挥各种语言的持点，提高程序的运行速,1.分析问题和确定任务 在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。 2.
4、确定采样周期Ts 采样周期Ts决定了采样数据的质量和数量。Ts太小，会使采样数据的数量增加，从而占用大量的内存，严重时，将影响计算机的正常运行；Ts太大，采样数据减少，会使模拟信号的某些信息丢失，使得在由采样数据恢复模拟信号时出现失真。 3.系统总体设计 4.硬件和软件设计 5.系统联调,13.2 系统设计的一般步骤,（1）硬件和软件的功能分配 （2）系统A/D通道方案的确定 （3）确定微型计算机的配置方案 （4）操作面板的设计 （5）系统抗干扰设计,硬件和软件的功能分配,数据采集系统是由硬件和软件共同组成的。对于某些既可以用硬件实现，又可以用软件实现的功能，在进行系统总体设计时，应充分考虑硬
5、件和软件的特点，合理地进行功能分配。 一般来说，多采用硬件可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到收善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。 若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。 因此，要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时，进行合理的功能分配。,系统A/D通道方案的确定,确定数据采集系统AD通道方案是总体设计中的重要内容，其实质是选择满足系统要求的芯片及相应的电路结构形式，通常应根据以下方面来考虑： 模拟信号输入范围、被采集信号的分辨率； 完成一次转换所需的时间； 模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；
6、 模拟信号传输所需的通道数； 多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少； 在保持期间允许的电压下降是多少； 通过多路开关及信号源串联电阻的保持器旁路电流引起的偏差是多少； 所需精度(包括线性度、相对精度、增益及偏置误差)是多少； 当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围，在什么条件下允许有漏码； 各通道模拟信号的采集是否要求同步； 所有的通道是是否使用同样的数据传输速率； 数据通道是串行操作还是并行操作； 数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作； 等等,确定微型计算机的配置方案,可根据实际情况采用微处理芯片、单片微型机芯片、单板机、个人微机等做控制处理机。,操作面板的设计
7、,输入和修改源程序 显示和打印各种参数 工作方式选择 启动和停止系统工作 控制面板一般由数字键、功能键、开关、显示等组成（具体知识就是接口技术）。,硬件和软件设计,硬件设计,（1）明确硬件设计任务 （2）尽可能详细的绘制出逻辑图、电路图 （3）制作电路和调试电路,软件设计,（1）明确软件设计任务 （2）按功能划分程序模块并绘制流程图 （3）程序设计语言的选择 （4）编写程序 （5）调试程序,13.3.1 系统A/D通道芯片的选择,模拟多路开关的选择 主要参数：精度和速度。 多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示； 多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。,13.3 系统A/D通道
8、的确定,11.1 数据采集系统中常见的干扰,模拟多路开关的传输误差分析 （1）多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。 （2）多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大，一般应该根据最高温度时的漏电流来计算偏移误差。 模拟多路开关的通过率 多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。 一方面取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关；另一个方面又为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计成先断后通，这增加断开到接通的延时，影响了通过率的提高。,主要参数：精度和速度。 采样/保持器考虑方面： （1）采集时间。 （2）精度。
9、（3）输入信号的动态范围。 （4）进入保持状态时，允许的孔径抖动大小。 （5）保持时间长短和允许的电压降低大小 （6）对电源波动的要求,13.3 系统A/D通道的确定,2. 采样/保持器的选择,技术指标要求： 1.分辨率（位数） 2. 量程 3. 精度 4. 转换时间(转换速率) tCONV 5. 偏移误差(侧面反映系统准确度的概念） .,13.3 系统A/D通道的确定,3. A/D转换器的选择,13.3.2 系统A/D通道方案的确定,不带采样/保持器的A/D通道 主要针对直流信号或低频信号。 模拟输入信号的最大变化率与A/D转换器的转换速率之间关系如下： tCONVA/D转换器的转换时间 F
10、SRA/D转换器的满量程电压 nA/D转换器的位数,13.3 系统A/D通道的确定,FSR=10V，n=11 tCONV=0.1s 模拟输入信号电压最大变化率为1/20（V/s） 此时只要实际Ui的变化率小于1/20（V/s）就可以不使用S/H。,13.3.2 系统A/D通道方案的确定,带采样/保持器的A/D通道 主要针对高频信号（变化率比较大的信号）。 如果带有S/H，则变化率的最大值取决于S/H的孔径时间tAP 模拟输入信号的最大变化率与A/D转换器的转换速率之间关系如下： tAPS/H的孔径时间（ tAP孔径不定） FSRA/D转换器的满量程电压 nA/D转换器的位数,13.3 系统A/D通道的确定,FSR=10V，n=11， tAP=3ns 采样频率fs=100kHz 判断采样频率是否过高？,如果取fs=200kHz，再判断采样频率是否过高？,带采样/保持器的A/D通道的形式可包括： （1）多通道共享采样/保持与A/D转换器 （2）多通道共享A/D转换器 （3）多通道并行A/D转换,13.3 系统A/D通道的确定,每路信号的吞吐时间（即A/D进行一次转换，从模拟信号的加入到有效数据饿全部输出所经历的时间）tTH为,捕捉时间 稳定时间 转换时间 输出时间,
