数据采集及处理系统的设计

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1、附件1：学 号： 课 程 设 计题 目数据采集及处理系统的设计学 院自动化学院专 业自动化班 级姓 名指导教师2015年月日推荐精选课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1205班 指导教师： 李道远 工作单位： 自动化学院 题 目: 数据采集及处理系统的设计初始条件： 设计一个64路巡回数据采集及处理系统，系统循环周期为1秒，16路模拟信号输入，16路开关信号输入，16路模拟输出，16路数字输出，模拟信号采用数字滤波去掉干扰信号， 数字信号采用光耦隔离，将采集数据循环显示在LED或LCD上。要求完成的主要任务:1 输入通道及输出通道设计（020MV输入），（010V输出）2 每周期内各

2、通道采样10次；3 采用各种（三种）数字滤波算法并比较结果； 4 软件流程及各程序模块设计并用仿真软件演示；5 完成符合要求的设计说明书。时间安排：2015年7月1日2015年7月8日指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日推荐精选摘要数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集和处理是计算机控制系统的重要组成部分，在工业控制机和生产过程之间，要对生产过程进行实时控制，就要实时的了解生产

3、状态，这就要求采集大量的模拟信号或数字信号进行分析，并输出有一定意义的、更直观和易于理解的模拟量或数字量，以对控制进行指导，调整控制方案。针对目前实时存盘采集系统存在体积大、设计复杂、成本较高等不足之处，本课题设计了一种基于高速串行总线和数字信号处理器的多路数据采集系统,具有成本较低、集成度较高等特点，同时具有一定数字处理能力。关键词：数据采集和处理，A/D转换，D/A转换，采样保持推荐精选目录1 设计任务及要求的分析42 方案比较及认证43 硬件电路原理53.1 模拟输入输出通道53.1.1模拟输入通道53.1.2三种数字滤波算法及其比较选择63.2 数字输入输出通道及处理83.2.1 数字

4、输入通道83.3数字量的输出电路114 软件设计及程序124.1 软件思想124.2 流程图124.2.1 模拟通道系统框图124.2.2 数字通道系统框图135 仿真147参考资料16附录一 芯片资料17附录二 硬件电路图21附件三 程序清单21推荐精选1 设计任务及要求的分析数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。 数据采集系统一般由数

5、据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。 数据采集及数据处理的过程，可以理解为先采集数据，然后将数据输入到CPU，最后输出数据。在这一过程中，还要选择数据通道。为了适应芯片的电压值，还可能需要把传入的模拟电压放大或缩小，转换成模拟

6、信号后，驱动相应的执行机构，达到控制的目的。在输出过程中，芯片输出可能为电流信号，也可能为电压信号。根据本题目的要求，需将电流信号转换成电压信号。2 方案比较及认证数据采集系统主要需要解决的是模拟量输入通道问题，在众多的模拟量输入中，需要确定模拟量输入通道的结构。模拟量通道结构有两种，一种是每路模拟量均有各自独立的A/D转换器、采样/保持器，另一种是多路模拟量共用一套采样/保持器、A/D转换器。在两种结构中，前者电路结构简单，程序设计方便。由于每路模拟量均需各自独立的A/D转换器，因此尽管只有一个处理器，但A/D转换是并行的，具有很快的转换速度。由于使用的A/D转换器数量多，故总体成本高昂，仅

7、在高速数据采集系统中采用；后者具有经济实用等良好特点,在性能指标要求许可的情况下，一般采用该方案。尤其高性能的A/D转换器件不断推出，选择一种A/D转换器满足多路数据采集还是比较容易的。因此，设计中选择了多路选择开关4067。推荐精选D/A转换部分主要解决数字到模拟的功能，最常用的数模转换器为DAC0832，将输入的数字量转换成差动的输出。为了使其能变成电压输出，又要经过运算放大器。模拟输出通道有两种基本结构形式：一个通道设置一个数/模转换，速度快，工作可靠，缺点是使用了较多的D/A转换器；多个通路共用一个数/模转换器，即转换成模拟电压后，通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。这种结构形式的优

8、点是节省了数/模转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。还要用多路开关，且要求输出采样保持器与采样时间之比较大。3 硬件电路原理3.1 模拟输入输出通道3.1.1模拟输入通道本模块使用MC14067B芯片，通过ABCD端口选择输入路，再将此路信号处理后输入到AD0808中转换为数字信号，输入单片机。各通道的模拟信号经过差分电路和采样保持电路输入到0808 的输入端，根据模拟输入通道的地址，CPU向ADC0808发转换启动指令，在START和ALE的输入端即出现一个正脉冲， 在其上升沿锁存其通道选择信号， 下降沿启动A/D转换，经过大约64个时钟周卿，A/D转换结束。在转

9、换开始时EOC输出端即由高电平变为低电平，待转换结束它又自动由低电平变为高电平。CPU发出转换启动信号后， 即通过OB 口(IC)不断查询EOC的输出端是否-已变成高电平，若EOC已变为高电 ，就表示A/D转换已经完成，这时CPU可以发读指令， 以使OE推荐精选端出现正脉冲，打开ADC0808的三态数据输出锁存器，读取A/D变换后的数据，这样即完成了一次从模拟量到数字量的转换。 图1 模拟输入通道3.1.2三种数字滤波算法及其比较选择在模拟信号中常带有高低频干扰信号，它们将直接影响转换精度，使采集的数据不可信。这些干扰信号一般在A/D转换前用RC滤波器加以过滤，但由于滤波电容C不能取得太大，而

10、难以滤去频率较低的干扰。为此，在硬件滤波的基础上还需加上软件滤波，软硬兼施，方能有效的将模拟信号中的干扰信号降到最低限度。（1） 一阶滞后滤波 公式为YK =(X1+X2+X3+XN)/N，在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样，这种方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。推荐精选（2） 中位值滤波这种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用时，排序的周期的数量要选择适当，如果选择过小，可能起不到去除干扰的作用，选择的数量过大，会造成采样数据的时

11、延过大，造成系统性能变差。（3） 限幅滤波法由于大的随机干扰或采样器不稳定，是的采集数据偏离实际值太原，为此采用上、下限幅，当大于上限值时取上限值，小于下限值时取下限值，当处于上限值和下限值中间的时候，取值本身。对于变化较缓慢的一次参数，可使用一阶滞后滤波，而对于变化较快的参数，可使用算数平均值滤波。本段通过将每一路的值输入后除以10，然后相加，得到每一路通道的平均值为算数平均值数字滤波算法 。同时也减少了存储单元的个数，仅用16个，70H到7FH。MOV A，R0 ；本模块为数字滤波MOV B，#10 ；将转换后的数字量除以10DIV ABADD R0，A INC R0 ；指向下一个存储单元

12、POP ACC3.1.3模拟输出通道为了用DAC0832进行数/模转换，可以使用两种方法对数据进行锁存。使输入寄存器工作在不锁存状态，而使DAC寄存器工作在锁存状态。就是使WR1为底电平，CS为低电平而ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存信号处于无效状态；另外，WR2和XFER端输入一个负脉冲，从而使DAC寄存器工作在锁存状态。这样做，也可以达到锁存目的。推荐精选当DAC0832工作在单缓冲寄存器方式下，即当信号来时，D0D7数据线送来的数据直接进行D/A转换，当变高时，则此数据便被锁存在输入寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，为了使其

13、能变成电压输出，所以又经过运算放大器，形成单极性电压输出。然后通过十六选一的通道反向使用，输出各通道的模拟量。 图2 模拟输出通道3.2 数字输入输出通道及处理3.2.1 数字输入通道为方便起见，本次采用通道0为例，实际上由A/D转换器将连续变化的模拟电压或电流转换为数值上等效的数字信号，以便计算机可以识别和接收。ADC0808是采用CMOS工艺的多路8位逐次比较型A/D转化器，芯片内包括8通道多路模拟开关、8位A/D转化器和一个8位的数据输出锁存器。8通道多路模拟开关由8通道模拟开关及地址译码器组成，主要功能是为多路A/D转换提供方便，允许8路模拟量输入使用同一个A/D转化器。ADC0809

14、采用单一的+5V电源供电，允许的模拟量输入范围为0-5V的单极性，无须进行零位和满度调整。推荐精选 图3 数字输入通道有一路信号(0V5V)从ADC0809的IN0通道输入，地址输人端A、B、C均接地，这时IN0的通道地址为OOH。0808是8位ADC，对0V-5V的信号，其转换精度为20mV级。P2.4和、共同组成ADC0809的口地址和启动转换控制信号。当P2.4=0时，指定ADC0808的口地址为0EFFFH；当8051的来到时，0809的ALE在脉冲的上升沿锁存地址信号，START在脉冲的高电平启动A/D转换。A/D转换流程图：推荐精选 图4 AD转换流程图推荐精选3.3数字量的输出电路将上一段存储的数据通过十六选一的多路开关输出，为了减小误差，采用光电耦合器，将输出和输入隔离开，输出的电压为10V。