多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

1、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計劉曉波 張丕狀 王曉升(中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室 山西 太原)摘要：本文采用MSP430F149單片機作為控制器的核心器件，設計了一種通用的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過USB接口對數(shù)據(jù)進行快速傳輸。該采集系統(tǒng)是由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件、通用計算機、軟件等要素構(gòu)成。為了滿足系統(tǒng)要求，硬件采用模塊化、開放性設計，由軟件來配置、控制。它具有8通道模擬量輸入、8通道開關(guān)量輸入/輸出、日歷時間等功能。整個系統(tǒng)由微處理器、日歷時鐘芯片、增益放大器、中文液晶顯示、大容量存儲器、USB等器件組成。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，USB接口，單片機，A/D轉(zhuǎn)換中圖分類號：TN702 文

2、獻標識碼：BDesign on multi-channel data acquisition systemXiaobo Liu， Pizhuang Zhang，Xiaosheng Wang ( National Key laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China ,Taiyuan ,China)Abstract: This paper use the single-chip MSP430F149 as the core device of the controller to design

3、 a generic multi-channel data acquisition system, it can transmit data rapidly via the USB interface. The acquisition system is composed of sensors, signal conditioning, data acquisition hardware, general-purpose computers, software and other elements. In order to meet the system requirements, the h

4、ardware is designed modularly and openly under the configuration and control by software. It has some functions such as 8-channel analog input, 8-channel digital input / output, calendar time and so on. The system consists of a microprocessor, a calendar clock chip, gain amplifier, Chinese liquid cr

5、ystal display, large-capacity memory, USB devices.Key words: data acquisition, USB interface, microprocessor，A/D convert0 引言隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也日新月異，采集速度和精度不斷提高，而功耗和體積卻在不斷下降，特別是小型化、便攜式解決方案在數(shù)據(jù)采集中開始占據(jù)越來越大的比重，并越來越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設計，廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、物流、倉儲等行業(yè)。因此，根據(jù)當前數(shù)據(jù)采集發(fā)展的實際情況，研制開發(fā)符合生產(chǎn)需要的多功能智能化的數(shù)據(jù)采集器具有

6、現(xiàn)實意義。本文采取了軟件與硬件相結(jié)合的開發(fā)方法設計8路數(shù)據(jù)采集器，整個系統(tǒng)采用電池供電，具有體積小、功耗低、可靠性高、即插即用等特點，非常適合于野外數(shù)據(jù)采集；也可以采用穩(wěn)壓電源，在工業(yè)控制領域進行實時采集監(jiān)控。系統(tǒng)具有很好的實用價值和推廣價值。1 系統(tǒng)方案整個硬件系統(tǒng)主要由傳感器、放大電路、多路開關(guān)、采樣/保持器、AD轉(zhuǎn)換器、按鍵、存儲、時鐘、USB、I/O擴展、單片機等部分組成。其中采樣/保持器、AD轉(zhuǎn)換器及單片機是使用MSP430F149來實現(xiàn)的。系統(tǒng)主要完成的功能有：對微弱信號的放大、濾波、隔離、對信號進行處理使之轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器所要求的信號范圍、多路選擇、信號采樣/保持、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)

7、存儲、數(shù)據(jù)收發(fā)等，其中單片機與PC的通信采用USB標準,如圖1.1所示。圖1.1 整體硬件系統(tǒng)框圖2硬件電路的設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多路開關(guān)、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機、時鐘、存儲、USB等部分組成。2.1 低通濾波電路在設計含有ADC的系統(tǒng)時，必須在轉(zhuǎn)換器前使用一個抗混疊濾波器，以提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能指標，選用TI公司的THS4052。它是一種70MHz低成本高速電壓反饋放大器。工作電壓可設為士5V，失真度、轉(zhuǎn)換速率、穩(wěn)定時間都能滿足要求。低通電路設計為12dB/OCT的巴特沃次(最平坦特性)濾波器，對頻率高于31.25KHz的信號濾波。電路截止頻率為fL=1/2 R1C1=31.25K

8、Hz，Q值為0.5。一片THS4052內(nèi)是雙通道輸入，因此8路模擬信號通道輸入需要4片THS4O52構(gòu)成8個低通濾波器，濾波實際電路連接如圖2.1所示。圖2.1 濾波實際電路2.2 放大電路測量放大電路應是一種高輸入阻抗、高電壓放大倍數(shù)、高信噪比、低零點漂移的放大電路。記憶電容采用溫度漂移最小的高阻抗金屬聚脂電容Ca = Cb = 0.1f 。輸出端連接RC(R = 100K ,C = 1f ) 低通濾波器,有效濾除微小的尖峰脈沖。為進一步保證放大電路的精度,兩比例電阻應選用溫度系數(shù)較小的精密電阻, 其阻值( R2 和R1 ) 應在0.01 %的誤差范圍內(nèi)1。放大具體電路如圖2.2，其中R1為

9、1K，R2為150K，放大倍數(shù)A=R2/R1=150。圖2.2 放大電路2.3 通道切換電路本設計對8路模擬信號采用分時采集，共用一個ADC，各路之間是通過模擬開關(guān)進行切換，使用的器件少，成本低，簡化制作PCB板和布線過程。如圖2.3所示，輸入通道的切換是通過采用高速八選一模擬開關(guān)74HC4051實現(xiàn)的。74HC4051相當于一個單刀八擲開關(guān)，輸入8路信號X0X7。每次X0X7中只有一路輸入信號送到輸出端X。EN是使能端，當EN=1時，各通道均不接通。所以EN接地。此外，74HC4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，不使用時接地2。圖2.3 通道切換電路2.4 存儲接口電路

10、本設計選擇了帶有I2C的EEPROM系列存儲24LC256，當然，也可根據(jù)實際需要而定，具體應用電路如圖2.4所示。SDA串行數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，用于把地址和數(shù)據(jù)輸入/輸出器件，該引腳為漏極開路。因此，SDA總線要求在該引腳與VCC之間接入上拉電阻。SCL串行時鐘，該引腳用于數(shù)據(jù)傳輸同步。WP寫保護引腳，該引腳連接在Vcc上，寫操作被禁止，但讀操作不受影響。圖2.4 存儲電路2.5 時鐘日歷接口電路PCF8583的I2C特性總線接口操作電壓：2.56.0V，時鐘操作電壓：1.06.0V(070)；2408位低電壓RAM；數(shù)據(jù)保持電壓：1.06.0V；操作電流（fSCL=0Hz）：最大50mA；

11、通用定時器，帶有報警和溢出指示；24或12小時格式；32.768KHz或50Hz時間基準；串行輸入/輸出總線（I2C）；可編程報警、定時、中斷功能；OSCI為振蕩器輸入，OSCO為振蕩器輸出。SDA是串行數(shù)據(jù)I/O，SCL串行時鐘輸入。PCF8583應用電路如圖2.5所示。圖2.5 日歷時鐘電路2.6 液晶顯示接口電路液晶顯示選用在3V電壓下工作的自帶控制器的點陣式液晶圖形顯示模塊MOBI2007，采用串行接口，節(jié)省了I/O口，其中V0、V1、V2、V3、V4、Vss這些電壓的值取決于用于LCD點陣的阻抗轉(zhuǎn)換運放，它們關(guān)系為：V0V1V2V3V4Vss，只有當液晶被驅(qū)動工作以后才有上述關(guān)系，此

12、時可以調(diào)節(jié)V0為25倍的電源電壓，其取值決定于LCD的偏壓，由內(nèi)部電阻Rb與Ra之比，所以可以通過測量Vo值就可以知道液晶是否被驅(qū)動起來。液晶接口電路如圖2.6所示，圖2.6液晶顯示電路2.7 MSP430F149電路設計本設計采用了MSP430F149單片機，其CPU設計成適合各種應用的16位結(jié)構(gòu)。它采用“馮-紐曼結(jié)構(gòu)”，MSP430F149電路主要包括晶振、復位、JTAG及報警電路，如圖2.7所示。圖2.7 MSP430單片機電路圖2.8 USB電路設計USB接口是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心之一，選擇合適的芯片是關(guān)鍵。目前可供選擇的USB控制器主要有兩種，即帶USB接口的單片機和專用USB總線接

13、口芯片。PDIUSBDI2 是一款性價比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DMA傳輸。PDIUSBD12看起來就像一個帶8位數(shù)據(jù)總線和一個地址位，占用2個位置的存儲器件。PDIUSBD12支持多元和非多元的地址和數(shù)據(jù)總線，還支持主端點與本地共享，RAM之間直接讀取，DMA傳輸支持單周期和突發(fā)模式的DMA傳輸3。PDIUSBD12具體電路如圖2.8所示。圖2.8 PDIUSBD12具體電路3軟件部分軟件部分控制數(shù)據(jù)處理，當數(shù)據(jù)過來以后，由A/D轉(zhuǎn)換程序控制進行A/D轉(zhuǎn)換，既可以交于液晶處理顯示也可以通過存儲程序?qū)?shù)據(jù)保存起來，如需將

14、數(shù)據(jù)上傳再通過USB傳輸程序控制進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖3.1所示。圖3.1 整體軟件系統(tǒng)框圖程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 A/D程序流程圖4 結(jié)束語隨著科學技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應用，人們對數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標，如采樣速率、分辨率、精度、輸入電壓范圍、控制方式以及抗干擾能力等方面，都提出了越來越高的要求。本文詳細介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解決方案、組成結(jié)構(gòu)及其特性。選用MSP430F149新型16位低功耗單片機，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對8路模擬量的采集，分辨率12位，最快采集速度達到200Kpbs，而且還實現(xiàn)了對8路開關(guān)量輸入的采集、8路開關(guān)量控制輸出。系統(tǒng)采用中文液晶顯示采集的多路數(shù)據(jù)，操作方便，界面美觀，并且采集的數(shù)據(jù)可通過USB的方式將數(shù)據(jù)上傳回計算機，