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1、重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计0第 1 章 绪论1.1 研究背景及其目的意义近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代，1956 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在 60 年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20 世纪
2、 70 年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从 70 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现
3、场应用较多。20 世纪 80 年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS） 。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计1采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就
4、可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 国内外研究现状数
5、据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于 20 世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。我国的数字地震观测系统主要采用 TDE-124C 型 TDE-224C 型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的 TDE-324C 型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至 A/D
6、数字化，A/D 采用同时采样，采样数据经 DSP 数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备 24 位 A/D 转化位数，采样率有 50HZ、100HZ 、200HZ 。美国 PASCO 公司生产的 “科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由 3 部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为 25 万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计2展。如爱
7、尔兰 ACRA 公司 2000 年研发推出的新一代 KAM500 机载数据采集系统到了 2006 年。本系统采用 16 位（A/D）模拟数字变换，总采样率达 500K/S,同步时间为+/-250ns ，可以利用方式组成高达 1000 通道的大容量的分布式采集系统。1.3 该课题研究的主要内容数据采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农
8、业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机(如 IBM PC 系列) 使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于
9、单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。本系统采用单片机负责模拟数据的采集,并且处理采集来的数字量及显示处理的数据。这样用户有利于工业过程的长期正常运行和检查。该系统主要采用的是 AT89S52 单片机和 AD0809 芯片，它们功能比较强大，基本能够满足设计要求。重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计3第 2 章 数据采集2.1 数据采集系统数据采集，又称
10、数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。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。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地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。利用多路开关让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实
11、质。当采集高速信号时，A/D 转换器前端还需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给 A/D 转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常希望输入到 A/D 转换器的信号能接近 A/D 转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电流电源输出端与 A/D 转换器之间应接入放大器以满足要求。本题要求中的被测量为 05V 直流信号，由于输出电压比较大，满足 A/D转换输入的要求，故可省去放大器，而将电源输出直接连接至 A/D 转
12、换器输入端。在本系统中需要将模拟量转换为数字量，而 A/D 是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计4等一系列的任务。在该系统中采用的是 8051 系列的单片机。数据的显示则采用的是 LED 数码管，该器件比较简单，在生活中接触也较多。数据采集系统一般由 I/V 变换、多路转换器、采样保持器、A/D 转化器、单片机、键盘、LED 显示等组成。完成本设计所需要的系统框图如图 2-1 所示：传感器或变送器信号调理或I / V 变换采样保持
13、器A/D转换器多路转换器单片机键盘L E D 显示图 2-1 系统框图（1）信号调理:将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。（2）I/V 变换：变送器输出的信号为 0-10mA 或 4-20mA 的统一信号，多路数据采集的信号主要是电压信号，需要经过 I/V 变换变成电压信号后才能采集。(3) 多路转换器：多路转化器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地接到 A/D转换器上。(4) 采样保持器：A/D 转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为 A/D 转换时间。在 A/D 转换期间，如果输入信号变化较大，就会引
14、起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至 A/D 转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把 t=kT 时刻的采样值保存到 A/D 转换结束。T 为采样周期，k=0,1,2 为采样序号。(5) A/D 转换器：在我们所测控的信号中军事连续变化的物理量，而要对这些信号进行处理,则需要将其转换为数字量，A/D 转换器就是为了将连续变化的重庆理工大学毕业论文 多路数据采集器软件设计5模拟量转换成计算机能接受的数字量。(6) 单片机：分析系统所要实现的功能可知，需要设计的功能模块应该包括多路开关，总线设计，显示设计，A/D 转换设计，键盘设计等，对于这些功能，选用 51 单片机来实现是合适的
15、，采集数据、控制、键盘以及显示都是MCS-51 单片机的典型应用范畴。本系统采用 ATMEL 公司的 AT89C51，该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 系列单片机的指令集和输出管脚相兼容。(7) LED 数码管显示：用于显示采集通道和采集电压，本设计采用的是共阳极 6 位 8 段式数码管。(8) 按键开关：通过按键开关可以控制电路的采集方式，即自动采集和手动采集。一般我们是自动采集，但是当出现错误时或则需要调节时，我们就用到手动采集，手动开关可以控制通道数加 1 和减 1 来排除错误。2.2 方案论证 2.2.1 I/V 变换变送器输出的信号为 0-10mA 或 4-20mA 的统一信号，需要经过 I/V 变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-II 型的输出型号标准为0-10mA，而 DDZ-III 型和 DDZ-S 系列的输出型号标准为 4-20mA，因此，针对以上情况我们来讨论 I/V 变换的实现方法。（1）无源 I/V 变换无源 I/V 变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图 2-2 所
