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1、多路数据采集系统毕业设计多路数据采集系统毕业设计第一章 绪论 1.1 课题研究背景和意义数据采集是指将位移、流量、温度、压力等模拟量采集、转换成数字量后,再由计算机进行存储、处理、显示或打印。数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分,信号处理技术、计算机技术,传感器技术是现代检测技术的基础。数据采集技术则正是这些技术的先导,也是信息进行可靠传输,正确处理的基础。在工业生产中,对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,这样能提高产品的质量、降低成本。在科学实验中,对应用数据进行实时采集,这样获得大量的动态信息,是研究物理过程动态变化的有效手段,也是获取科学奥秘的重要手段之一。设计数据采集系统目的
2、,就是把传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号,并把数字信号送入计算机,计算机将计算得到的数据加以利用观察,这样就实现对某些物理量的监视,数据采集系统性能的好坏,取决于它的精度和速度,在精度保证的条件下提高采样速度,满足实时采集、实时处理和实时控制的要求1。数据采集常用的方式有在 PC 机,也可以在工控机内安装数据采集卡,如RS-422 卡、RS-485 卡及 A/D 卡;或专门的采集设备,包括PCI、PXI、PCMCIA、USB,无线以及火线 FireWire 接口等,可用于台式 PC 机、便携式电脑以及联网的应用系统中2。数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代,1956 年美
3、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,并且测试任务是测试设备高速自动完成的。近年来,数据采集及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,数据采集系统也朝着微型化、小型化、便携式,低电压、低功耗发展。当前市场出售的小型数据采集器相当于一个功能齐全计算机。这些数据采集器功能强大,能够实现实时数据采集、处理的自动化设备。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能;不仅能保证现场数据的实时性、真实性、有效性、可用性,而且能很方便输入计算机,应用在各个领域。所以根据当前数据采集发展的实际需求,研制开发符合生产
4、需要的多功能智能化的数据采集器意义重大。1.2 国内外数据采集研究现状与问题1.2.1 国外信号采集系统研究的现状与问题数据采集系统它起始于 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。数据采集系统应用于工业、农业等各个领域,并广泛应用于工业生产的控制,国内外许多技术公司和科研单位都在积极研制,国外的数据采集器的研制已经相当成熟,而且种类不断增多,性能越来越好,功能越来越强大。目前国外许多科研单位和技术公司都在积极研制便携式数据采集系统。市场上较早出现的具有代表性的万次/S。主要有:美国 PAS
5、CO 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 个部分组成:(1)传感器:利用先进的传感技术和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。还有美国 Fluke 公司生产的 Hydra 系列便携式数据采集器:Hydra 系列有三种型号,可满足不同的应用需要。2620A Hydra 数据采集器是和 PC 配合使用的紧凑式前端;便携式的 2625A Hydra 数据记录器内置有非易失存储器,可以保存多达 2000 次的扫描数据,用于独立式的应用;263
6、5A Hydra 数据采集器具有可插拔的存储卡,可以保存数据和设置,是最为通用的型号-非常适宜于远程监控等应用。又如 TEMPRO 天正通大气环境部开发的 CR23X 微数据采集器,美国 QUATRONIX 公司生产的 WAVEBOOK 高速便携数据采集系统等。这些采集系统有一个共同点,和 PC 机的通信时几乎都采用 RS-232 口,虽然它们自身带有存储器,但存储容量都不大。近年来,国外市场上又出现了美国CASIO 公司的 CASIODT-30O、Ocean Optics 公司的 ADCIO00-USB 等采用 USB 接口的便携式数据采集器。国外产品虽然进入我国市场较早,但就当前市场而言,
7、并没有占据市场的主要份额,主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使其推广受到限制5。1.2.2 国内信号采集系统研究的现状与存在的问题由于信号采集系统在现代科技发展中的重要地位逐渐被人们所认识,国内研究单位和公司也逐渐开始信号采集系统的研究和发展。如我国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。又如北京优采公司的 UA5OO 系列、郑州科诚自动识别设备公司的 NLS-P、T-90O 系列便携式数据采集器等。国内这些产品价格优势占据市场主导,但
8、是与国外同类产品相比,国内便携式数据采集器性能指标还有较大的差距,这主要表现在以下几个方面:(1) 我国部分产品仍采用的是 USB1.1 协议,而国外产品则早已采用 USB2.O规范;(2)存储容量小,软件功能不够完善,使用不够方便。(3)数据采集频率低,精度和分辨率低,数据处理能力差;为此,国内各科研单位及厂家正积极追赶国外最新技术,不断提高数据采集器的产品的性能,并力争使成本比国外同类产品低,为国内测控事业的用户提供高品质的选择5。如九纯健科技公司的 JCJ708 数据采集器采用先进的微电脑技术及芯片,性能可靠,抗干扰能力强,与各类传感器、变送器配合使用,可对多路温度、湿度、压力、液位、流
9、量、重量、烟感报警、红外探测器报警、等工业过程参数进行多路检测、数据采集及通讯。JCJ708B 数据采集器通过标准 RS232 或RS422、485 通讯口,可直接连接计算机通讯,通讯波特率及地址出厂时根据用户要求定好(默认波特率为 9600,通讯协议为 MODBUS-RTU),用户无需对数据采集器进行复杂设定,接上线就可用,使用方便。技术参数:误 差: 测量精度:0.2%FS1 个字 变送精度:0.2%FS1 个字输入信号: 电流 0-10mA 4-20mA 电压 0-5V 1-5V 无源开关量信号通讯输出: 1、隔离串行双向通讯接口 RS485 2、隔离串行双向通讯接口RS232通讯协议:
10、 标准 MODBUS-RTU 九纯健科技定制通讯协议供电电源: 交流 85-265VAC 50HZ/60HZ 直流 24VDC 直流 12VDC 交流 24VAC 交流 12VAC 其他定制功 耗: 4W规 格: 标准 35mm 导轨安装工作环境: 温度 0-60; 湿度 85%RH第二章 数据采集系统方案数据采集系统包括模拟信号的输入、转换及处理。模拟信号变成数字形式后顺序存储、传输、处理和显示。数据收集的基本手段是模数转换,它是将来自各式各样传感器的模拟量实时地、准确地测量或汇集起来,送入计算机实时处理,并输出相应的控制信号以实现对物理系统的控制或记录,而一个完整的数据采集需要包括硬件和软
11、件两部分组成。2.1 方案框图2.1.1 硬件部分(8 路信号源)图 2.1 硬件系统框图如图 2.1 所示,整个硬件系统主要由传感器、放大电路、多路开关、采样/保持器、AD 转换器、按键、存储、时钟、USB、I/O 扩展、单片机等部分组成。其中采样/保持器、AD 转换器及单片机是使用一个处理器芯片 MSP430F149来实现的。系统主要完成的功能有:对微弱信号的放大、滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成 AD 转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD 转换、数据存储、数据收发等,其中单片机与 PC 的通信采用 USB 标准。2.1.2 软件部分图 2.2 软件大体框图如图 2.
12、2 所示,软件部分控制数据处理,当数据过来以后,由 A/D 转换程序控制进行 A/D 转换,既可以交于液晶处理显示也可以通过存储程序将数据保存起来,如需将数据上传再通过 USB 传输程序控制进行数据传输。2.2 模块选择本系统将采用分时多通道采集结构来进行数据采集。图 2.3 分时多通道采集结构如图 2.3 所示,该系统采用方时分轮转式,可方便的用增加多路开关的方法来扩充模拟信号通道数。输入的模拟信号经放大滤波后,送入多路开关 MUX,在 CPU 的控制下某一通道被选通,进人后级缓冲放大器或采样保持器,再送人A/D 转换器完成模拟信号到数字信号的转换,转换结果为数字量并送入 CPU 处理。第三
13、章 系统硬件设计随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,各种专用功能的模拟、数字混合集成电路应运而生,单块芯片上通常集成了多个功能模块,简化了设计过程,缩短了研制周期,并使系统的稳定性加强。本设计采用了最新集成电路技术,借助单片机、微机、数据采集技术和现代通信技术,设计了一种体积小、功耗低、存储容量大、转换速率高、集成化程度高和适用于各种信号的通用数据采集系统。3.1 各硬件电路设计数据采集系统由信号采集电路、放大电路、多路开关、AD 转换电路、单片机、时钟、存储、USB 等部分组成。3.1.1 放大电路在各种工业自动化控制系统中, 一般都有传感器精密测量放大电路、AD 转换器、微机系统及软件组
14、成, 而测量放大电路的精度与稳定性对整个系统的性能起着至关重要的作用。测量放大电路应是一种高输入阻抗、高电压放大倍数、高信噪比、低零点漂移的放大电路。ICL7650 斩波稳(将一种直流电变为另一直流电)零单片集成运算放大器 DIP - 14 双列直插封装 是美国 Intersil 公司利用其特有的CMOS 双极型绝缘栅场效应管 电路设计技术和先进工艺研制成功的第四代集成运算放大器。它具有以下主要特点: 输入失调电压-温度漂移 0.01VP, 时间漂移 100nVP 月; 输入偏流10pA ; 开环增益120dB ; 转换速率 215VPS;单位增益带宽达 2MHz ; 运算时具有内部补偿;输入
15、 P 输出端仅有极小的斩波尖峰泄漏; 具有内调制补偿电路。若将 ICL7650 用于设计高精度、高放大倍数的放大电路, 必须选用噪声比较低的高性能稳压电源依据运算放大器的原理: 反相KV R2/R1 ;同相 KV 1 + R2/R1 。ICL7650 具有130dB 的共模抑制比, 具有很高的抗干扰能力。ICL7650 的电源电压范围3V 8V 这可采用微型计算机的电源电压3V。记忆电容采用温度漂移最小的高阻抗金属聚脂电容 Ca Cb 0.1f 。输出端连接 RCR 100K ,C 1f 低通滤波器,有效滤除微小的尖峰脉冲。为进一步保证放大电路的精度,两比例电阻应选用温度系数较小的精密电阻,
16、其阻值 R2 和 R1 应在0.01 %的误差范围4。放大具体电路如图 3.4其中 R1 为 1K,R2 为 100K,放大倍数 AR2/R1100。图 3.4 放大电路3.1.2 低通滤波电路根据采样定理,最低采样频率必须是信号最高频率的两倍。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分,采样后的信号将发生畸变。这种信号畸变叫做混叠 allas。一旦完成信号采样,这些信号混叠到有用信号的频段,就无法从有用信号中移除这些频率成份。混叠现象会严重影响数据转换系统的性能指标,所以在设计含有 ADC 的系统时,必须在转换器前使用一个低通滤波器,以确保高于奈奎斯特频率的噪声被足够的衰减,不会出现在采样后的信号中。这个低通滤波器称为抗混叠滤波器。选用 TI 公司的 THS4052。它是一种 70MHz 低成本高速电压反馈放大器。工作电压可设为士 5V,失真度、转换速率、稳定时间都能满足要求。THS4052 的性能指标:(1)高速:70MHz 带宽 G1,-3dB,240V/us 转换速率,60ns 稳定延迟时间 0
