简易数据采集系统的设计

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：

TI 公司生产的8位逐次逼近式模数转换器ADC0809，8051，MAX232 原理图如下：

原理报告原理报告：：

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0～5V 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

8

0.39%2

−=

输入为0～5V 时，分辨率为

8

50.019611

22Fs

N

V v ==−−

Fs

v

—A/D 转换器的满量程值

N —ADC 的二进制位数

量化误差为

8

50.0098(1)2

(1)2

22Fs

N

Q V v

=

=

=−×−×

ADC0809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，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6MHz则复位脉冲至少应为4us。

上电复位电路

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

复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器

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

τ=RC=10×106−×8.2×103=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50～9600bps 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

s

Imax 2f

f ≥

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