数据采集与处理作业doc

一、论述高速数据采集系统的电磁兼容性（EMC）设计。

主要考虑因素：射频干扰问题，差模辐射，共模辐射，电源去耦，连线端接，接地技术，模拟/数字混合系统，PCB设计。可能产生的影响、问题解决方法、注意事项等。

答：电磁兼容（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁骚扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。换句话说，即设备不会由于受到同一电磁环境中其他设备的电磁干扰而导致不允许的性能降低或失效；同时，设备也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁干扰而导致不允许的性能降低或失效。

以下是从不同角度对电磁兼容性的讨论：

1.射频干扰就是电磁波所带来的干扰.防止射频干扰最佳的方法是保证层间布线尽量短，避免产生额外的谐振回路。短的连线能减小电感阻抗、缩短信号传输延时。

2.差模辐射：应减小电流幅度I，减小信号频率及其谐波，加大数字信号上升/下降沿 tr，减小环面积S ，将信号线紧挨接地线。

3.共模辐射：共模电流会产生很强的辐射，对周围的电路形成辐射性干扰，尽量减小激励此天线的源电压，即地电位；提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈;；将共模电流旁路到地。

4.电源去耦：一个电路的各个单元共用同一电源供电，为了防止各单元之间的耦合，需加去耦电路。造成耦合的原因有：数字电路——在电平翻转时的瞬间会有较大的电流，且会在供电线路上产生自感电压。功率放大电路——因电流较大，此电流流过电源的内阻和公共地和电源线路时产生电压，使得电源电压有波动。高频电路——电路中有高频部分因辐射和耦合在电源上产生干扰。应设计较小的电流回路具有更低辐射。

5.接地技术：数字和模拟地要采用单点星形连接且靠近电源。

6.对于模拟/数字混合系统，主要措施有抑制地线干扰，总原则是数字电路与模拟电路分开接地，对微弱模拟量电路实行全面覆盖的电磁屏蔽，采用直流隔离措施。

7.PCB设计：PCB板设计的开始阶段就是层的设置，层设置不合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的EMC问题，所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。PCB板层由电源层、地线层和信号层组成。层的选择、层的相对位置以及电源、地平面的分割、PCB板的布线、信号质量、接口电路的处理等都对PCB板的EMC指标起着至关重要的作用,也直接影响到整台电子产品的电磁兼容性。根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定PCB板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本,适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。对电源层而言,一般通过内电层分割能满足多种电源的需要,但若需要多种电源供电,且互相交错,则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言,除了考虑信号线的走线密集度外,从EMC的角度,还需要考虑关键信号(如时钟、复位信号等)的屏蔽或隔离,以此确定是否增加相应层数。对PCB板进行空间分割的目的是为了降低PCB上不同类型的元器件之间互相干扰。空间分割的实施方法就是对元器件进行分组,可以根据电源电压高低、数字器件或模拟器件、高速器件或低速器件以及电流大小等特点,对电路板上的不同电气单元进行功能分组,每个功能组的元器件彼此被紧凑地放置在一起以便得到最短的线路长度和最佳的功能特性。高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。

三、选择一种专用的A/D转换器，介绍其机构、特点、应用场合、工作原理、基本工作模式、时序以及微机数据采集接口电路，设计应用实例与问题。

答：积分式A/D：ICL7135，它是4位双积分A/D转换芯片，以转换输出±20000个数字量，STB选通控制的BCD码输出，微机接口十分方便。

特点：ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换)，格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲)。故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数。将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量。ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图1所示：

图1 ICL7135引脚

ICL7135引脚功能及含义如下：

与供电及电源相关的引脚(共7脚)：

①-V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V；

②+V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V；

③DGND:数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准；

④REF:参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量=10000ms；(VIN/VREF)

⑤AC:模拟地,典型应用中,与DGND(数字地)“一点接地”；

⑥INHI:模拟输入正；

⑦INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连。

与控制和状态相关的引脚 (共12脚)：

①CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s；

②REFC+:外接参考电容正,典型值1μF；

③REFC-:外接参考电容负；

④BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻；

⑤INTO:积分器输出端,典型外接积分电容；

⑥AZIN:自校零端；

⑦LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10%时,该端输出高电平；

⑧HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围(20001)时,该端输出高电平；

⑨STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据(5位),该端用于将转换结果打到并行I/O接口；

⑩R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换；

11 POL:极性信号输出,高电平表示极性为正；

12 BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低。

与选通和数据输出相关的引脚(共9脚)：

①B8～B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码；

②D5:万位选通；

③D4～D1:千,百,十,个位选通。

时序图如图2：

图2 时序图

硬件接口电路：ICL7135仅通过两根I/O线与AT89C52相接, 仅占用AT89C52的T1、T2两个计数器及外部中断INT1。

图3 硬件电路图

工作原理：AT89C52的T2计数器通过编程设置工作于方波产生器模式时, P1. 0管脚输出连续方波信号。该信号一方面接至ICL7135的时钟输入管脚,为ICL7135提供时钟信号, 另一方面接至AT89C52的T1计数器的计数输入端, 以便对ICL7135时钟周期进行计数。根据前面的时序分析, 当模拟信号Vin接至ICL7135的模拟信号输入端, 启动ICL7135进行A/ D转换时, 1个完整的A/ D 转换过程需要经历3个阶段:即AZ、SI、RI 阶段。只要控制T1 计数器仅在ICL7135的管脚为高电平时计数, 那么T1计数器在此段时间里所计的数减去10001, 就是模拟信号Vin经A/ D转换后所对应的数字码。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1, 通过编程设置T1计数器工作于方式1、对外部脉冲计数、设置GATE使T1计数受INT1控制, 就实现了T1计数器仅在ICL7135的管脚为高电平时进行计数。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1的另一个意图是: 当BUSY信号由高电平跳变为低电平瞬间, 以中断形式通知CPU, 以读出A/ D转换后的数字码。

应用实例：ICL7135与MCS51连接：

图4 ICL7135与MCS51连接

设MCS-51的外接晶振fosc=6MHz,则ALE输出约为1MHz,将ALE信号输入CD4040的CLK引脚.CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器,有12个分频输出端,Q1～Q12,最大分频系数为212=4096,由于CD4040的所有输入,输出端都设有缓冲器,所以有较好的噪声容

限.CD4040的Q2输出是对ALE进行了22=4分频,故输入ICL7135的时钟为1MHz/4=250kHz,可得TCP=1/250ms=0.004ms,由于一次转换最多需(10001+10000+20001)=

40002个脉冲,故转换一次需0.004ms*40002≈160ms,因此ICL7135的转换速度为6.25次/s.选择这一频率,以牺牲ICL7135抗工频干扰为代价,使MCS-51的16位计数器能一次计数A/D转换的CP脉冲数。在满电压输入时,BUSY宽度为正向积分10000个CP脉冲,反向积分20001个CP脉冲(总计30001个CP脉冲)。

四、自选元器件，设计一台5 1/2位数字多用表，要求测量：直流电压、电流、交流电压、电流、电阻、电感、电容、温度（–20 — +150℃）。

答：数字多用表是目前应用最广泛发展最快的常规仪器随着科学技术的发展对数字多用表的不确定度和功能要求越来越高特别是现代控制中的自动测试系统逐渐普遍可程控的数字多用表是各类自动测试系统中必备的部件目前5 1/2位数字多用表正在逐渐替换4 1/2位数字多用表的位置5 1/2位数字多用表市场有很大空间。

数字多用表硬件电路结构如图 1所示分为内层模拟电路部分和外层数字电路部分.内层模拟电路部分由量程转换及自校准电路电流电压（A/V）转换，频率信号整形分频电路，电阻电压转换，DC/AC缓冲器，量程放大电路，交流真有效值（AC/RMS）转换，模数转换器，浮置电源等組成，外层数字部分由SOC单片机组成的微控制器，键盘，显示器，RS232C组成。

1.内层电路分析

1.1模数（ADC）转换器及其数学模型

本设计中采用了HARRIS公司的 HI7159A模数转换器HI7159A是內含微处理机，采用多重积分转换，BCD码输出的仪表专用芯片。它采用积分转换摸式，具有较強的抗干扰能力。

1.2直流量程转换网络数学模型

图4 电阻电压转换电路2.外层电路设计

2.1控制电路

图5 频率测量前置电路

图6 RS232C通信电路

五、画出逐次比较式A/D(如ADC0809)、积分式A/D(如ICL7135)、VFC式A/D(如LM331)分别与8031（或其他你所熟悉的）单片机的接口电路，并写出A/D转换、软件流程框图。

答：1.ADC0809与8051

接口电路：

通道选择：

软件流程图：

开始

启动0809进行本次

A/D转换

延时等待A/D转换

读取A/D转换结果

将结果转换成显示

代码

调用显示转换结果

子程序

2.ICL7135与8051

接口电路：

A/D转换时序图：

软件流程图：

初始化

设置数据处理参数

N

判断发送标志

位

Y

发送数据

3.LM331与8031

接口电路：

A/D转换框图：

软件流程图：

转换程序入口

初始化：设置定时

器T0为外部技术

方式

N 初始化：设置定时器T1为内部技术

方式

设置定时器T0开始计数启动T1开始定

时

定时时间到？

停T0计数，关T1定

时

存TH0、TL0计数

值

脉冲个数——>幅

值转换

程序结束

Y

六、硬件抗干扰措施的目的是尽可能切断干扰进入系统的通道，但由于干扰存在的随机性与复杂性，尤其是在一些恶劣的外部环境下，尽管采用了硬件抗干扰措施，但并不能将各种干扰完全拒之门外，这是就应该发挥系统软件编程方面的灵活性，采用各种软件抗干扰措施，与硬件措施相结合，提高系统的抗干扰性能。那么软件有哪些抗干扰手段？分别应用于哪些场合？

答：软件抗干扰主要方法有：开机自检、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看门狗”等。

1.开机自检：开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态等的检测。

2.软件陷阱：在程序存储器中总会有一些区域未使用，如果因干扰导致单片机的指令计数器PC 值被错置，程序跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是在程序存储器的未使用的区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用区域外，还可以在程序段之间(如子程序之间及一段处理程序完成后)及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。

3.程序“跑飞”处理：要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影响，以及程序“跑飞”前运行的进程，这就需要的设置相应的标志。就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后，转入“跑飞”处理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度，根据影响程度的不同，决定是报警复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场，则需根据程序运行状态标记进行。具体如何进行程序“跑飞”处理，要根据控制系统的设计要求进行。

4.输出端口刷新：由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰，输出口的状态也可能因此而改变。在程序中周期性地添加输出端刷新指令，可以降低干扰对输出口状态的影响。在程序中指定RAM单元存储输出口当时应处的状态，在程序运行过程中根据这些RAM单元的内容去刷新I/O口。

5.输入多次采样：干扰对单片机的输入，会造成输入信号瞬间采样的误差或误读。要排除干扰的影响，通常采取重复采样、加权平均的方法。比如对于外部电平采样(如按键)，采取软件每隔10ms 读一次键盘或连续读若干次，每次读出的数据都相同或者采取表决的方法确认输入的键值。又如在用单稳电路检测温度的系统中(参《电子报》1999年第51期第九版)采取对单稳电路的脉冲宽度计数，然后查表求温度值的方法。为排除干扰的影响，可以采取三次采样求平均值，也可以采取两次采样、差值小于设定值为有效，然后求平均值的方法(又称软件滤波)。总之，对输入信号进行多次采样，其后如何进行处理是要根据具体对象实际处理的效果来优选的，读者可通过实验室调试时施加干扰及现场环境调试时的效果来确定。

6.软件“看门狗”：软件陷阱是在程

序运行到ROM的非法区域时检测程序出错的方法。而“看门狗”

是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按

时复位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。在系统成本允

许的情况下，应选择专门的看门狗电路芯片或片内带看门狗定

时器的单片机。如果条件不允许，应加软件“看门狗”。