简易数据采集系统的设计

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1、qp xdqp xd简易数据采集系统设计题目：二选一1. 设计一个单片机控制的数据采集系统，要求A/D精度12位，采样频率最高100KHz,输 入8路信号，分时复用A/D芯片，将采集到的波形进行 4K的SRAM存储，然后通过串 行口发送给计算机2. 设计一波形发生电路，计算机通过串行口向板卡发送波形电路，波形存储到板卡上的SRAM中，然后进行计算机控制的D/A波形产生，板卡上用单片机进行控制要求：1. 选择器件，确定具体型号。2. 画原理图。3. 根据器件封装画 PCB图。4. 写出相应的单片机和微机控制程序。5. 写出详细的原理分析报告。 器件选择：ADC0809 , 8051 , MAX2

2、32TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器 原理图如下：云匸111甌21J341121 闌*1H-41N.3BOCATD A帕ADD-C1K 7fflfi )ALEDiABLETIOCE 彳 i! SPSBX ALEiF TXD RXDP25 wF13X 蔬VP心二一1ASCI三HEFTIDTl/TC QHlMJFl序F15:I iP13F口ni原理报告：: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( MUX )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

3、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转换器输入端。关于A/D转换器的选取：1.转换时间的选择转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的

4、倒数，是一个很重要的指标A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式 ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式 A/D转换器。2.ADC位数的选择A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为0.5%。对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为-82 = 0.39%输入为05V时，分辨率为VFs28-1=0.0196VVFs A/D转换器的满量程值N ADC的二进制位数量化误差为Q 二 一二=0.0098V（2-1） X2 （2 - 1） X2ADC0809是8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的 ADC部分

5、，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。控制与显示方法分析用单片机作为这一控制系统的核心，接受来自ADC0809的数据，经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断端组成,完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED数码显示器相连，驱动显示器显示相应通道采集到的数据。单片机系统分析1.复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有 24个时钟周期以上。本系统中 单片机时钟频率为 6MH

6、z则复位脉冲至少应为 4us。上电复位电路Vcc上电瞬间，RST端的的电位与 Vcc相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST电位逐渐下降。上电；RSTROS X HE复位所需的取短时间疋振汤器建立时间加上个机器周期，在这段时间里，振荡建立时间不超过10ms。复位电路的典型参数为:C取10uF,R取8.2k,故时间常数-63t=RC=10 X10X82 X10 =82ms以满足要求。振荡源在MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1(19)、XTAL2(18)分别是此放大器的输入端和输出端显示与键盘分析对系统发出命令和输出显示测量结果，主要是由键盘和LED数码显

7、示器组成。缓慢变化信号和直流信号，要求用数码管适时地进行十进制显示，由于精度要达到0.5%，所以这里用5只LED数码显示器来表示该十进制数，用两只七段数码 显示器表示通道号。为实现通道的选取，用键盘实现控制功能译码方法用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫 描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分显示方法在该单片机系统中，使用7段LED显示器构成8位显示器，段选线控制显示的字符，位选线控制显示位的亮或暗。传输方式分析传输方式的选择串行通信有同步和异步两种工作方式。同步方式要求发送与接受保持严格同步，由于串行传输逐位按顺序进行， 为了约定数据是由哪一位开始传

8、输， 需设定同步字符。 此方式传输速度快， 但硬件 复杂。异步方式，规定了数据传输格式，每个数据均以相同的帧格式传送，每帧信息由起始位、数据位、奇偶效验位和停止位组成。帧与帧间用高电平分隔开，但 每帧均需附加位，降低了传输效率。异步通信依靠起始位、 停止位保持通信同步。 对硬件的要求低，实现起来比 较简单、灵活，适用于数据的随机发送 /接收，一般适用于 509600bps的低速 串行通信。数据采集电路把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。把以一定时间间隔 T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t,使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信

9、 号，即采样信号。A/D转换的一般步骤采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即fs 2fImaxqp xdqp xd由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压qp xd在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成。ADC0809内部功能与引脚介

10、绍分辨率和精度在第一章中已作了相应的计算和分析。ADC0809八位逐次逼近式 A / D转换器是一种单片 CMOS器件，包括8位 模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。ADC0809主要性能逐次比较型CMOS工艺制造单电源供电无需零点和满刻度调整具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容易与各种微控制器接口具有锁存控制的8路模拟开关分辨率：8位IW31- 28IN2M227IN1LH5326INS475AIN7 524 -BSTART召23CEOC 7 8 22ALED3S | 21D7QE9初D6CLK1019D5V(C111

11、3-REF (+)1217D0(JUD1J10KEF (-D1 一1415D2功耗：15mW最大不可调误差小于 土 1LSB (最低有效位)转换时间(fcLK =500KHz ) 128us转换精度：0.4%ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供， 其范围为101280kHz。典型时钟频率为 640kHz引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图所示。各引脚的功能如下：IN0IN7 : 8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压DOD7 : 8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，DO是最低位。A、B、C :通道选择端。当 CBA=000时，IN0输入；当 CBA=111时，IN7

12、输入。 ALE :地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START :启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC :转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE :输出允许端。CLK :时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为 640kHz，转换时间约为100血。REF(-)、REF(+):参考电压输入端。 ADC0809的参考电压为+ 5V。 VCC、GND :供电电源端。 ADC0809使用+ 5V单一电源供

13、电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存， 并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行 A/D转换，此期间 START应保持低电平。在 START下降沿后10us左右，转换 结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果 输出。ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法ADC0809与8051单片机的硬件接口有 3种形式，分别是查询方式、中断方 式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的

14、ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是 8051时钟频率的1/6。该题目中单片机 时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是 1MHz，二分频后为 500Hz,符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0 口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为 0000H0007H。其对应关系如 表所示。表0809输入通道地址地址码输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和 P2.7 控制ADC的地址锁存和启动转换。 由于ALE禾口 START连在一起，因此ADC0809 在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时， 用单片机的读信号 RD和P2.7引脚经或非门后， 产