基于单片机的数据采集卡的硬件设计
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科 技 论 坛
基于单 片机 的数据 采集卡 的硬 件设 计
张振字 张红梅
Байду номын сангаас
（ 新疆轻工职业技 术学院电气分 院， 新疆 乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ ２ １ ） 摘 要：重点介 绍了基 于单 片机的数据采集卡的硬件 设计。 关键词：单 片机： 数据采 集卡： 硬件 兀１ Ｌ电平 。所 以选用 ２ ６ Ｌ Ｓ ３ ２差分转换芯 片对光栅尺信号进行差 数控机床在线测量是指将被加工 工件 不从 机床上取下来 ， 在加 的 ｒ 工 中间直接进行测量 ， 这种 测量方法无论从加工精度 和加工速 度上 分转换 。 ５ 可 逆计 数 器接 口 电路 设 计 都会 得到提高 ， 是现在发 展的一个重要 方 向， 本论文是 解决 了在线 本 文选用 Ｌ Ｓ ７ ２ ６ ６可逆计数器对安 川伺 服编码器输 出信 号进行 测量 当中一个重要 问题就是采用数 控机床 自有 的传感器 将测量信 号进行采集 。 本论文使用单片机设计 了一个数据采集卡进 行这项 工 计数 。四路光栅信号（ Ａ ＋ 、 Ａ 一、 Ｂ ＋ 、 Ｂ 一 ） 经过差分转 换后 。 变成 了 Ａ、 Ｂ 作， 本论 文主要对 硬件 部分进行设计 。 两路信号输 出， 这两路信号是相位相差 ９ ０ 。 的１ Ｔ ｒ Ｌ电平 。 ６ ｌ ａ ｇ 和 采 集 卡 通 信 接 口设计 １增量式编码器输 出信号 在坐标采集系统中 ， Ｃ ８ ０ ５ Ｉ ｆ ０ ２ ０ 单 片机需要从 Ｐ Ｃ机 接 收 相 应 读 编码器也就是圆光栅 ，作为机床 的速度 和位置 反馈 检测装置 ， 按测量的坐标系可分为增量式和绝对式 。编码 器为增量式输 出， 编 取测量坐标值命令 ， 进而单片机把坐标值发送给 Ｐ ｃ机 。 考虑到两者 码 器 输 出 接 口电 路 。 之 间的通讯距 离不大 ， 选用 Ｅ Ｉ Ａ Ｒ Ｓ 一 ２ ３ ２ Ｃ接 口标准 ， 其传输最 大速 ０ ｋ ｂ Ａ， 传输最大距离为 １ ５ ｍ， 可满足系统要求 。Ｒ Ｓ 一 ２ ３ ２ Ｃ的逻 通过数字记忆示波器对这 ６ 路信号进行检 测 ， 其输 出信号波形 率为 ２ 如图 １ 所示 。 其 中： Ｐ Ａ Ｏ， ／ Ｐ Ａ Ｏ为编码器输出 Ａ相 ， 两者方 波信号大 辑 口电平 ｌ 对应 一 ５—． １ ５ Ｖ之 间 ， ０对应 ５～１ ５ Ｖ之间 ，所以与 １ Ｔ ｒ Ｌ Ｘ Ｉ Ｍ２ ３ ２ Ｅ芯 片为电 小相等互 为负 电平 ； Ｐ Ｂ Ｏ， ／ Ｐ Ｂ Ｏ为编码 器输 出 Ｂ相 ，两者方波信号 电平连接时必须经过 电平转换 。这里选 用 ＭＡ 单一 ＋ ５ ｖ 供 电， 其内部具有两组电压转换 电路 ， 外 部只 大小相等互为 负电平 ； Ｐ Ｃ Ｏ， ／ Ｐ Ｃ Ｏ为编码 器输 出 ｃ相 ，两者方波信 平转换接 口， ． １ ｕ Ｆ的电容即可完成 Ｅ Ｉ Ａ电平与 １ １ ’ Ｌ电平 的转换。 号大小相等互为负电平。 在反馈过程中 ， 信号 Ａ， Ｂ相位相差 ９ ０ 。用 需 ４个 ０ ７ 采 集卡 抗 干 扰 设 计 来计数 ， Ｃ相信号表示编码器转一圈产生一个 脉冲信号 。 在测量 系统设 计 、 制造 、 调试以及运行过 程中， 非 常注重抗 干扰 性 的设计。抗干扰性是一个 非常重要的技术指标 ， 所 以在 设计电路 ｒ － ］ 厂 厂 ＿ ］ ＿ 几 ］ ｒ ＿ ］ 厂 厂 ＿ ］ ｒ － ］ 时尤其考虑到干扰对系统带来 的影响 。
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图 １ 编 码 器 输 出波 形 ２ 采 集 卡 结 构 设 计
在对 机床 编码 器输 出信 号进 行研 究后 ， 接 下来对采集卡进行设 计 。采集 卡的总体框 图如图 ２ 所示 。
图 ３ 测量 系统 硬 件 电路 板 对坐标采集系统电路抗 干扰硬件设计采用 了以下方法 ： （ １ ） 信 号输 入。在采集系统中 ， 我 们将 光栅信号一分 为二 ， 一路 进入采集卡 ， 另一路 进入伺服 系统 ， 对进 入采集卡 的这 一路进行 光 电隔离 ， 从而使得两路信号相互独 立 ， 互不干扰。 （ ２ ） 信号 处理 。 在电 路板设计 中 ， 对 流过电流较大 的导线 进行加宽处理 ， 在每块芯 片电 源和地之间加 Ｏ ． Ｏ ｌ ｕ Ｆ去耦电容 ， 对 １ ０ ＭＨ Ｚ以下的噪声有较好 的去 耦作用。 使用 独立 电源 ， 在电路 板电源输入端跨接 １ ０ ０ ０ ｕ Ｆ的电解电 容和 ｌ Ｏ ｎ Ｆ的高频旁路 电容 （ 去除高频 噪声 ）滤 除随电源 引人 的干 扰， 电路板覆铜 网增大地线面积 以消除 由于地 电位不一致带来 的脉 动干扰。在满足系统运行速 度的前提 下 ， 单 片机选用较低 的时钟频 率， 以增强系统干扰性。（ ３ ） 信号输出。测量 系统上位机采用 ９芯带 屏蔽层电缆做 通信线 ，各个插 头选用 工业级带 有螺丝固定的插头 ， 以防接触不 良产生误码 。电路板 用金属屏蔽壳封装 ， 减少外界 电磁
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礤☆ 光栅 Ｙ 辜 由 光栅 ｚ 轴光 栅
波影响。 参考文献 … １ 张 志利 ． 基于Ｒ Ｓ ２ ３ ２协议的单 片机 多机 通讯 网络研 究［ Ｊ 】 ． 自动 化
图 ２ 采集卡整体 结构 图
３ 控 制 器 介 绍
２ ０ ０ ９ ， ２ ８ ￣） ： ５ ４ － ５ ５ ． Ｃ ８ ０ ５ ｌ ｆ ０ ２ ０是一 款高速 、 高性 能外设 、 高 集成度 的单 片机， 选用 技 术 与 应 用 ， Ｃ ８ ０ ５ ｌ ｆ ０ ２ ０单片机作为采集卡的主控制单 元 ，可以快速地把编码器 ［ ２ 】邹虹 ， 蔡益 宇． 教 字 电路 抗干扰研 ［ Ｊ １ ． 数 据通 讯 ， ２ ０ ０ ３ ， （ ５ ） ： ５ ４ — ５ ５． 脉 冲数读 到单 片机 中， 实时性 比较好。 ｆ ３ １ Ｐ Ａ ８ ０ ０ ０ Ｃ Ｎ Ｃ 系列（ 操 作 手 册） ［ Ｓ １ ． 深圳 大族 彼 岸 数 字控 制 软 件技 术 ４ 差 分 转 换 接 口电 路设 计
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科 技 论 坛
基于单 片机 的数据 采集卡 的硬 件设 计
张振字 张红梅
Байду номын сангаас
（ 新疆轻工职业技 术学院电气分 院， 新疆 乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ ２ １ ） 摘 要：重点介 绍了基 于单 片机的数据采集卡的硬件 设计。 关键词：单 片机： 数据采 集卡： 硬件 兀１ Ｌ电平 。所 以选用 ２ ６ Ｌ Ｓ ３ ２差分转换芯 片对光栅尺信号进行差 数控机床在线测量是指将被加工 工件 不从 机床上取下来 ， 在加 的 ｒ 工 中间直接进行测量 ， 这种 测量方法无论从加工精度 和加工速 度上 分转换 。 ５ 可 逆计 数 器接 口 电路 设 计 都会 得到提高 ， 是现在发 展的一个重要 方 向， 本论文是 解决 了在线 本 文选用 Ｌ Ｓ ７ ２ ６ ６可逆计数器对安 川伺 服编码器输 出信 号进行 测量 当中一个重要 问题就是采用数 控机床 自有 的传感器 将测量信 号进行采集 。 本论文使用单片机设计 了一个数据采集卡进 行这项 工 计数 。四路光栅信号（ Ａ ＋ 、 Ａ 一、 Ｂ ＋ 、 Ｂ 一 ） 经过差分转 换后 。 变成 了 Ａ、 Ｂ 作， 本论 文主要对 硬件 部分进行设计 。 两路信号输 出， 这两路信号是相位相差 ９ ０ 。 的１ Ｔ ｒ Ｌ电平 。 ６ ｌ ａ ｇ 和 采 集 卡 通 信 接 口设计 １增量式编码器输 出信号 在坐标采集系统中 ， Ｃ ８ ０ ５ Ｉ ｆ ０ ２ ０ 单 片机需要从 Ｐ Ｃ机 接 收 相 应 读 编码器也就是圆光栅 ，作为机床 的速度 和位置 反馈 检测装置 ， 按测量的坐标系可分为增量式和绝对式 。编码 器为增量式输 出， 编 取测量坐标值命令 ， 进而单片机把坐标值发送给 Ｐ ｃ机 。 考虑到两者 码 器 输 出 接 口电 路 。 之 间的通讯距 离不大 ， 选用 Ｅ Ｉ Ａ Ｒ Ｓ 一 ２ ３ ２ Ｃ接 口标准 ， 其传输最 大速 ０ ｋ ｂ Ａ， 传输最大距离为 １ ５ ｍ， 可满足系统要求 。Ｒ Ｓ 一 ２ ３ ２ Ｃ的逻 通过数字记忆示波器对这 ６ 路信号进行检 测 ， 其输 出信号波形 率为 ２ 如图 １ 所示 。 其 中： Ｐ Ａ Ｏ， ／ Ｐ Ａ Ｏ为编码器输出 Ａ相 ， 两者方 波信号大 辑 口电平 ｌ 对应 一 ５—． １ ５ Ｖ之 间 ， ０对应 ５～１ ５ Ｖ之间 ，所以与 １ Ｔ ｒ Ｌ Ｘ Ｉ Ｍ２ ３ ２ Ｅ芯 片为电 小相等互 为负 电平 ； Ｐ Ｂ Ｏ， ／ Ｐ Ｂ Ｏ为编码 器输 出 Ｂ相 ，两者方波信号 电平连接时必须经过 电平转换 。这里选 用 ＭＡ 单一 ＋ ５ ｖ 供 电， 其内部具有两组电压转换 电路 ， 外 部只 大小相等互为 负电平 ； Ｐ Ｃ Ｏ， ／ Ｐ Ｃ Ｏ为编码 器输 出 ｃ相 ，两者方波信 平转换接 口， ． １ ｕ Ｆ的电容即可完成 Ｅ Ｉ Ａ电平与 １ １ ’ Ｌ电平 的转换。 号大小相等互为负电平。 在反馈过程中 ， 信号 Ａ， Ｂ相位相差 ９ ０ 。用 需 ４个 ０ ７ 采 集卡 抗 干 扰 设 计 来计数 ， Ｃ相信号表示编码器转一圈产生一个 脉冲信号 。 在测量 系统设 计 、 制造 、 调试以及运行过 程中， 非 常注重抗 干扰 性 的设计。抗干扰性是一个 非常重要的技术指标 ， 所 以在 设计电路 ｒ － ］ 厂 厂 ＿ ］ ＿ 几 ］ ｒ ＿ ］ 厂 厂 ＿ ］ ｒ － ］ 时尤其考虑到干扰对系统带来 的影响 。
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图 １ 编 码 器 输 出波 形 ２ 采 集 卡 结 构 设 计
在对 机床 编码 器输 出信 号进 行研 究后 ， 接 下来对采集卡进行设 计 。采集 卡的总体框 图如图 ２ 所示 。
图 ３ 测量 系统 硬 件 电路 板 对坐标采集系统电路抗 干扰硬件设计采用 了以下方法 ： （ １ ） 信 号输 入。在采集系统中 ， 我 们将 光栅信号一分 为二 ， 一路 进入采集卡 ， 另一路 进入伺服 系统 ， 对进 入采集卡 的这 一路进行 光 电隔离 ， 从而使得两路信号相互独 立 ， 互不干扰。 （ ２ ） 信号 处理 。 在电 路板设计 中 ， 对 流过电流较大 的导线 进行加宽处理 ， 在每块芯 片电 源和地之间加 Ｏ ． Ｏ ｌ ｕ Ｆ去耦电容 ， 对 １ ０ ＭＨ Ｚ以下的噪声有较好 的去 耦作用。 使用 独立 电源 ， 在电路 板电源输入端跨接 １ ０ ０ ０ ｕ Ｆ的电解电 容和 ｌ Ｏ ｎ Ｆ的高频旁路 电容 （ 去除高频 噪声 ）滤 除随电源 引人 的干 扰， 电路板覆铜 网增大地线面积 以消除 由于地 电位不一致带来 的脉 动干扰。在满足系统运行速 度的前提 下 ， 单 片机选用较低 的时钟频 率， 以增强系统干扰性。（ ３ ） 信号输出。测量 系统上位机采用 ９芯带 屏蔽层电缆做 通信线 ，各个插 头选用 工业级带 有螺丝固定的插头 ， 以防接触不 良产生误码 。电路板 用金属屏蔽壳封装 ， 减少外界 电磁
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图 ２ 采集卡整体 结构 图
３ 控 制 器 介 绍
２ ０ ０ ９ ， ２ ８ ￣） ： ５ ４ － ５ ５ ． Ｃ ８ ０ ５ ｌ ｆ ０ ２ ０是一 款高速 、 高性 能外设 、 高 集成度 的单 片机， 选用 技 术 与 应 用 ， Ｃ ８ ０ ５ ｌ ｆ ０ ２ ０单片机作为采集卡的主控制单 元 ，可以快速地把编码器 ［ ２ 】邹虹 ， 蔡益 宇． 教 字 电路 抗干扰研 ［ Ｊ １ ． 数 据通 讯 ， ２ ０ ０ ３ ， （ ５ ） ： ５ ４ — ５ ５． 脉 冲数读 到单 片机 中， 实时性 比较好。 ｆ ３ １ Ｐ Ａ ８ ０ ０ ０ Ｃ Ｎ Ｃ 系列（ 操 作 手 册） ［ Ｓ １ ． 深圳 大族 彼 岸 数 字控 制 软 件技 术 ４ 差 分 转 换 接 口电 路设 计