畢業(yè)設(shè)計（論文）基于LPC2378的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、基于lpc2378的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計摘要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于從一個或多個源采集模擬信號并將信號轉(zhuǎn)換成可供終端設(shè)備,如數(shù)字計算機(jī),通信網(wǎng)絡(luò)分析和傳輸?shù)臄?shù)字形式。輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中的模擬信號往往是由傳感器和變送器將實際參數(shù),比如壓力,溫度,流量等轉(zhuǎn) 化成相應(yīng)的電信號。這些相應(yīng)的電信號通常被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化,然后被終端設(shè) 備以數(shù)字量形式利用.系統(tǒng)保障信號的準(zhǔn)確和完整性的能力是衡量這個系統(tǒng)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。在用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和控制時,必須將信號輸入到工控機(jī)里和將工控機(jī) 里數(shù)據(jù)輸出去。數(shù)據(jù)采集卡功能強(qiáng)大,可以實現(xiàn)多種信號的輸入和輸出。以lpc2378微型處理器為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),提供極其靈活

2、的面向?qū)ο蟮膭討B(tài)圖形功能以及豐富的圖形庫.在"數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)"中得到廣泛應(yīng)用。依托l(wèi)pc2378為核心處理器在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的成熟技術(shù)，設(shè)計新一代的基于lpc2378的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀，可提升自動化 監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)水平。通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析,以ads1.2開發(fā)工具設(shè)計出工控機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；同時,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理,實現(xiàn),意義作了主要介紹,總結(jié)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在ads1.2下的實現(xiàn)。并以其在1個典型 自動氣象站中的應(yīng)用為實例，著重說明外接傳感器的接口電路、低功耗、大容量固態(tài)存儲等的設(shè)計，并闡明數(shù)據(jù) 采集儀嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的過程。通過試驗結(jié)果表明，該

3、系統(tǒng)效果良好，有極大的應(yīng)用潛力。關(guān)鍵詞：lpc2378, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大容量儲存，低耗能。 based on lpc2378 high accuracy of the data acquisition system designabstract：data acquisition system used for from one or duoge source collection analog signals and will signal conversion to available for terminal equipment, such as digital computer, co

4、mmunication network analysis and transmission of the digital form. input to the data acquisition system of the analog signal is often the sensor and the transmitter will the actual parameters, such as pressure, temperature, flow rate and turn into the corresponding electric signals. the correspondin

5、g signal is usually data acquisition system transformation, and be prepared to a terminal digital quantity of system security signal form. the accuracy and completeness of the ability to measure the quality of the system is the standard.with industrial computer in data measurement and control, must

6、the signal is input to the industrial computer in industrial output data and will go to. the data acquisition card powerful, can realize duozhong signal input and output. to lpc2378 micro processor as the core of the data acquisition and processing system, and provide extremely flexible object orien

7、ted dynamic graphics functions and the rich graphics library. in "data acquisition system" has been widely used. relying on lpc2378 as the core processor in embedded applications in the mature technology, design of a new generation of lpc2378 based on the parameter data acquisition instrum

8、ent, can promote automatic monitoring system level of technology.through to the analysis of the data acquisition system, in order to ads1.2 development tool to design the industrial data collection system; at the same time, the principle of data acquisition system, realize the meaning, mainly introd

9、uced, summarizes the characteristics of the data acquisition system and data collecting system in the realization of the ads1.2 next.and with its in a typical automatic weather stations of the application for example, the focus on external sensor interface circuit, low power consumption, solid state

10、 storage capacity, and expounds the design of embedded system software and data acquisition instrument design process.through the test results show that the system has good effectiveness, have great potential applicationkey words: pc2378, data acquisition system，the large capacity to store, the low

11、consumption.目錄一. 緒 論8（一）設(shè)計背景8（二）設(shè)計意義9二.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計9（一）系統(tǒng)構(gòu)造9（二）主控10（三）硬件11（1）傳感器11（2）電源12（四）處理模塊12（1）a/d接口電路12（2）d/a接口電路12（3）r/d接口電路13（4）串口擴(kuò)展模塊13（5）usb接口電路設(shè)計14三.系統(tǒng)功能設(shè)計15（一）系統(tǒng)軟件設(shè)計15（二）低耗能設(shè)計16（三）大容量儲存設(shè)計16四.實驗測試17（一）使用usb和以太網(wǎng)的ram17（二）溫度數(shù)據(jù)采集測試18五.結(jié)語19六.參考文獻(xiàn)19七.致 謝20八.附 錄20（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖20（二）lpc2378資料圖21（三）

12、智能can接口卡22基于lpc2378的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計一. 緒 論（一）設(shè)計背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,工廠自動化的規(guī)模越來越大,要求控制技術(shù)水平也愈來愈高,原來常規(guī)模式的控制儀表已滿足不了先進(jìn)控制水平的需求.在這種情況下,工業(yè)控制計算機(jī)及其系統(tǒng)伴隨著這種需求而日新月異地發(fā)展.可以說,所有先進(jìn)的工廠無不裝備工業(yè)控制計算機(jī),并以它作為控制和管理的主要工具. 我國工業(yè)控制計算機(jī)從20世紀(jì)60年代初開始,經(jīng)歷了近40年的歷史, 從晶體管工業(yè)控制計算機(jī)到中小規(guī)模集成電路工業(yè)控制計算機(jī),以及今天的大規(guī)模集成電 路工業(yè)控制計算機(jī),經(jīng)歷了三代的變化,體積越來越小,功能越來越強(qiáng)。20世紀(jì)60年代初

13、期的工業(yè)控制計算機(jī)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),軟件編程也很是很 原始的機(jī)器指令編程方式.20世紀(jì)80年代,工業(yè)控制計算機(jī)的發(fā)展躍進(jìn)了一大步, 無論從硬件還是從軟件方面都有了較大的發(fā)展,出現(xiàn)了std總線工業(yè)控制計算機(jī),vme 總線工業(yè)控制計算機(jī)等,出現(xiàn)了工業(yè)控制組態(tài)軟件包,用戶可自己組態(tài),組成自己的控制系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迅速得到廣泛應(yīng)用,滲透到地質(zhì),醫(yī)療器械,通訊等各個領(lǐng)域,為獲取信息提供良好的基礎(chǔ).在生產(chǎn)過程中應(yīng)用這一系統(tǒng),可以實現(xiàn)對現(xiàn)場各種參數(shù)的采集,提高產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)伴隨著工業(yè)計算機(jī)的發(fā)展更加準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場的信息,為決策者 提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù),從而采取更加符合

14、要求的方案解決實際中產(chǎn)生的問題（二）設(shè)計意義隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷改進(jìn),人們對數(shù)據(jù)采集的功能要求越來越高,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出更高的要求,實時性,多功能化,操作方便是其主要的發(fā)展方向. lpc2378微型處理器以為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有功能強(qiáng),成本低,測量準(zhǔn)確,通用性強(qiáng)等特點,正得到 越來越廣泛的應(yīng)用。lpc2378微型處理器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用是工控機(jī)的一個重要領(lǐng)域.數(shù)據(jù)采集作為項 目工程的基礎(chǔ)已經(jīng)涉及到人們生產(chǎn)生活的方方面面。采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性對工程質(zhì)量監(jiān)督起著至關(guān)重要的作用.采用工控機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可以直觀地 反映量的變化情況以及安全生產(chǎn)情況。二.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計（

15、一）系統(tǒng)構(gòu)造以nxp公司lpc2378為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要包括：嵌入式主控模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊(a/d、d/a、r/d)、串口擴(kuò)展模塊(sc16c554)。由主控模塊進(jìn)行控制，其他模塊協(xié)同工作，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的功能。處理器和cpld模塊是整個系統(tǒng)的核心，它控制各模塊間的協(xié)同工作；電源控制模塊負(fù)責(zé)為芯片提供所需要的工作電壓，并對電壓進(jìn)行監(jiān)測，同時提供系統(tǒng)的復(fù)位功能；數(shù)據(jù)采集和處理模塊由a/d、d/a、r/d構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換；串口擴(kuò)展模塊實現(xiàn)了與lpc2378之間數(shù)據(jù)的串、并行轉(zhuǎn)換，并完成與上位機(jī)的通訊功能。 圖1 數(shù)據(jù)采集處

16、理系統(tǒng)框圖sc16c554擴(kuò)展出4路uart接口，波特率等底層協(xié)議由程序獨(dú)立設(shè)置，每個通道具有16字節(jié)的fifo，兼容16c550。通過線路板接插件引入2組外部雙口ram的存取接口，符合idt7130的時序要求，數(shù)據(jù)、地址及控制信號等驅(qū)動。為方便客戶未來的擴(kuò)展應(yīng)用，系統(tǒng)向外部預(yù)留2組can總線接口。系統(tǒng)中實現(xiàn)2路a/d，2路d/a，2路r/d；并預(yù)留12位io控制口，每位可單獨(dú)設(shè)置為輸入或輸出（二）主控該模塊由lpc2378和cpld (epm7128ae)構(gòu)成。lpc2378是一款基于arm7tdmi-s核的高性能32位 risc微處理器。處理器帶有thumb指令擴(kuò)展；主頻高達(dá)72mhz；片

17、內(nèi)集成512kb flash，支持isp及iap，58kb sram，pll加強(qiáng)型矢量中斷控制器，10/100m以太網(wǎng)帶dma，usb2.0全速設(shè)備接口，2路can 2.0接口，通用dma控制器，4個uart接口，1個具有全功能modem的接口，3個i2c串行接口，3個spi/ssp串行接口，一個i2s接口，sd/mmc記憶卡接口，8路10位 adc，1路10位dac，4個32位捕獲/比較時鐘，看門狗時鐘，pwm模塊支持3相馬達(dá)控制，rtc實時時鐘帶可選后備電池，通用i/o等。cpld主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的譯碼工作，從而為系統(tǒng)中的某些芯片產(chǎn)生片選和控制信號。（三）硬件（1）傳感器通常情況下,隨著溫

18、度的升高,金屬的電阻具有正的溫度系數(shù),其大小約為 30007000ppm/.因此通過測量金屬電阻值的變化,可以測量出其對應(yīng)的溫度, 作為能夠測量溫度的電阻體,除了鉑以外,還有銅和鎳.鉑的純度可以高99.999% 以上,在所有金屬中是最高的,再加上下述的幾點,使鉑成為較理想的測溫電阻器: 純度越高,電阻值-溫度特性越穩(wěn)定;純度越高,電阻的溫度系數(shù)越大. 鉑電阻使用高純度鉑絲制作的溫度傳感器.鉑電阻不像熱敏電阻那樣具有強(qiáng)烈 的非線性,它的電阻-溫度特性如圖2所示,其線性度非常好.因此是一種非常容 易使用的溫度傳感器. 圖2 波電子的溫度特征 （2）電源 過接插件向線路板提供±15v、&#

19、177;12v、5v的直流電源。由于系統(tǒng)中大多數(shù)芯片的工作電壓均為3.3v或5v，故選擇的電源電壓調(diào)節(jié)器為tps76633，它能對外提供3.3v的電壓及250ma的電流，且誤差在3%以內(nèi)。為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作，抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，需要使用磁珠進(jìn)行系統(tǒng)的模數(shù)隔離。系統(tǒng)工作時，會經(jīng)常要求進(jìn)入復(fù)位工作狀態(tài)，所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須能準(zhǔn)確、可靠地工作。這里的復(fù)位電路采用ltc1326芯片，同時實現(xiàn)低電平復(fù)位和手動復(fù)位功能。ltc1326能夠在有多種電壓供電的系統(tǒng)中實現(xiàn)同時對3種電壓的監(jiān)控功能。為了提高芯片的抗干擾能力，應(yīng)給每個vcc引腳接一個0.1f的對地旁路電容。（四）處理模

20、塊（1）a/d接口電路 lpc2378本身提供有8路10位adc和1路10位dac，而該系統(tǒng)要求提供的a/d和d/a精度均為12位，故需要擴(kuò)展外部a/d和d/a。ad7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的a/d轉(zhuǎn)換器，吞吐率最高可達(dá) 1msps。本系統(tǒng)采用通過lpc2378的spi接口直接與其相連，不需要其他的附加邏輯電路。在采集過程中，選擇不同的通道進(jìn)行采集。（2）d/a接口電路dac7574是12位、低功耗、4路帶緩沖器的電壓輸出型d/a轉(zhuǎn)換芯片，最高速率可達(dá)3.4mbps。外部為該芯片提供的工作電壓為5v，故轉(zhuǎn)換后的電壓輸出范圍是05v，需要設(shè)計d/a轉(zhuǎn)換后輸出電壓范圍是-10v+10

21、v，所以要用到兩級運(yùn)算放大器，第一級構(gòu)成反相求和電路，第二級構(gòu)成反相比例運(yùn)算放大電路。經(jīng)過第一級運(yùn)放后，得到-2.5v+2.5v的電壓值，再經(jīng)過第二級運(yùn)放后得到-10v+10v的電壓范圍。為了在第一級運(yùn)放的輸入端獲得精準(zhǔn)的-2.5v電壓，這里使用lm236，它是能夠提供精確的-2.5v電壓的穩(wěn)壓芯片。（3）r/d接口電路d2s80a是最新一代旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，又叫角分解器(resolver)，是一種特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。ad2s80a的分辨率有10、12、14、16bits幾種可選。用戶通過選擇不同的外接電阻和電容，可以得到不同的帶寬和跟蹤速率。本系統(tǒng)中

22、只用到了r/d的8條數(shù)據(jù)線(db1db8)，其余8條數(shù)據(jù)線(db9db16)接地。lpc2378負(fù)責(zé)處理ad2s80a送來的信號，ad2s80a與lpc2378的相關(guān)引腳直接相連，接口電路如圖2所示。圖3 ad2s80a與lpc2378的連接圖（4）串口擴(kuò)展模塊 max3074是rs-422總線的收發(fā)器，其功能是實現(xiàn)rs-422總線信號電平到sc16c554可接受信號電平的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)中共使用6片max3074，其中4片與sc16c554的4路uart端口連接(其中兩路做為備用)，其余2片與lpc2378的兩路uart端口相連。max3221是rs-232總線的收發(fā)器，其功能是實現(xiàn)rs-232

23、總線信號電平到lpc2378可接受信號電平的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中使用2片max3221與lpc2378其余 電路uart端口相連(圖4 ) 圖4 （5）usb接口電路設(shè)計主控制器lpc2378內(nèi)部集成了usb2.0設(shè)備控制器。使cpu與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換可以穩(wěn)定地達(dá)到很高的速度，同時也減少了開發(fā)難度，提高了芯片的性價比。usb接口電路如圖6所示，usb1d-和usb1d+為lpc2378中usb端口的一對差分?jǐn)?shù)據(jù)線，分別通過27匹配電阻與usb接口連接vbus用于檢測usb總線電源是否連接，當(dāng)usb總線連接時，該管腳輸入高電平。uiconnect靈活控制lpc2378與pc之間的連接與斷開。當(dāng)該口輸出

24、低電平時，d+數(shù)據(jù)線通過1.5的上電阻連接到vd3v3通知pc：設(shè)備要與之連接；輸出高電平時，d+數(shù)據(jù)線與電源vd3v3斷開，通知pc：設(shè)備已經(jīng)斷開與主機(jī)的連接。usb_uiup_led口用于控制led亮滅以提示usb總線的活動狀態(tài),當(dāng)usb設(shè)備枚舉成功時，led點亮；枚舉成功后，當(dāng)usb總線處于正常通行狀態(tài)時，led閃爍；當(dāng)usb設(shè)備處于掛起狀態(tài)或者通信不正常時，led熄滅。prtr5vou2x為esd元件，用于防止靜電從usb總線中進(jìn)入電路中損壞芯片。 三.系統(tǒng)功能設(shè)計（一）系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具采用ads1.2，設(shè)計語言使用arm c。為了實現(xiàn)系統(tǒng)各部分的正常運(yùn)行，在進(jìn)行軟件設(shè)計

25、時必須充分考慮3個因素：程序的可靠性；程序的嚴(yán)密性；程序的穩(wěn)定性。軟件程序由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序中首先完成系統(tǒng)的初始化，接著進(jìn)入一個無限循環(huán)的后臺程序，巡回地執(zhí)行多個事件，完成相應(yīng)的操作；使用向量irq中斷，中斷服務(wù)程序采用基于定時器的巡回服務(wù)流程，完成事務(wù)處理。對于cpld的軟件設(shè)計工具采用altera公司的max plusii，使用vhdl編程語言。 （二）低耗能設(shè)計 通過編寫程序，可使數(shù)據(jù)采集儀器內(nèi)核處理器大部分時間處于掉電模式。當(dāng)有外部特定事件發(fā)生時，可被終端喚醒，進(jìn)入全速工作狀態(tài)，當(dāng)完成不要的任務(wù)后，再次進(jìn)入值守狀態(tài)。在值守狀態(tài)下系統(tǒng)功耗很低，而且外部傳感器不消耗電能。在

26、工作狀態(tài)下，氣象儀和傳感器同時上電工作，此時功耗較大，但由于工作時間極短，所以整個系統(tǒng)的功耗并不大，能夠滿足長期在野外無人值守狀態(tài)下的連續(xù)不間斷檢測氣象參數(shù)的功耗需求。書籍采集儀設(shè)計了輸出2路控12v電路，其中一路用來給氣象傳感器供電，另一路接到繼電器開關(guān)，用以給瞬時電流消耗較高的遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺供電。同時，為達(dá)到盡可能低的功耗，還將數(shù)據(jù)采集儀電路板上的若干消耗電流較大的3.3v電子器件改為控點方式工作，在不需要工作的時這些器件的電源進(jìn)行下電處理，從而進(jìn)一步降低功耗，使得整個數(shù)據(jù)采集儀的靜態(tài)功耗可以達(dá)到3ma以下。（三）大容量儲存設(shè)計數(shù)據(jù)采集儀的一個重要功能就是對采測的參數(shù)進(jìn)行自動記錄，存儲在采集

27、儀自身所帶的大容量存儲設(shè)備中，以便在需要的時候讀出。在系統(tǒng)中每次采測的參數(shù)為6個，每個參數(shù)值占2字節(jié)。每隔5min采測存儲1次，擬將每個參數(shù)至少存儲1a。所以，大容量存儲設(shè)備的存儲最小空間計算如下：2*288*366*61 264 896字節(jié)1.2m字節(jié)，所以采用2m字節(jié)的flash 存儲器即可滿足要求。在此選擇型號為sst25vf016b的nor型flash芯片，其存儲容量為2m字節(jié)，并可通過spi通信接口進(jìn)行讀寫。其與lpc2378芯片引腳的連接原理圖如圖6所示。 圖6 大容量存儲電路原理四.實驗測試（一）使用usb和以太網(wǎng)的ram lpc2378內(nèi)部有58kbram由內(nèi)部32kbram、

28、8kb usb ram、16kb以太網(wǎng)ram 和2kb rtc ram組成。     2kb 的rtc battery ram 沒有測試，我想應(yīng)該也可以直接使用。     對于usb和以太網(wǎng)的ram，只需經(jīng)如下操作即可使用。1、 將功耗管理寄存器pconp中的pcenet和pcusb位置1，使能usb和以太網(wǎng)功能。  2、在分散加載文件中做如下申明：          

29、;       usb_ram 0x7fd00000 0x2000    ;8k                                      da

30、taflash.o(+rw,+zi)                    from.o(+rw,+zi)                          &

31、#160;           enet_ram 0x7fe00000 0x4000   ;16k                                       uart.o (+rw,+zi)               &