信號采集輸入電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、實(shí)驗(yàn)課程名稱：監(jiān)測控制系統(tǒng)應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：信號采集輸入電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)成績： 100實(shí)驗(yàn)者： 專業(yè)班級： 電信130 班 同組者： 111 實(shí)驗(yàn)日期： 周四34節(jié)課 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握模擬量的輸入接口電路的設(shè)計(jì)。2.熟悉市面上常用的AD轉(zhuǎn)換芯片的性能及特點(diǎn)3.掌握AD轉(zhuǎn)換芯片硬件連接方法和基本編程方法。4.掌握模擬量采集的軟件編程技巧二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.用信號發(fā)生器產(chǎn)生各種輸出電壓信號，設(shè)計(jì)一信號采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量該信號發(fā)生器的輸出并顯示出來。2.信號發(fā)生器分別輸出直流、方波、正弦波信號供系統(tǒng)采集，研究信號采集系統(tǒng)如何保證準(zhǔn)確性、精度、實(shí)時(shí)性。具體任務(wù)：1、模擬量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 開發(fā)板

2、有AD轉(zhuǎn)換芯片的，依托開發(fā)板設(shè)計(jì)模擬量采集系統(tǒng)的硬件和軟件，實(shí)驗(yàn)時(shí)用實(shí)驗(yàn)室的信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬量。 開發(fā)板上沒有AD轉(zhuǎn)換芯片的，自由設(shè)計(jì)模擬量采集系統(tǒng)的硬件和軟件，實(shí)驗(yàn)時(shí)，在proteus環(huán)境下，用信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬量，仿真實(shí)驗(yàn)。2、采集系統(tǒng)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn) 讓信號發(fā)生器分別輸出1V、3V、5V、7V、9V、11V、13V的直流電壓，記錄采集系統(tǒng)的采集值。 觀察測量值與實(shí)際值的差距，從硬件和軟件兩方面分析原因，改進(jìn)系統(tǒng)，直至達(dá)到滿意的測量結(jié)果，記錄相應(yīng)的測量結(jié)果。思考采集系統(tǒng)的精度如何提高，給出答案。（選做：對于用proteus仿真實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使測量精度提高一個(gè)檔次，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果）3、

3、采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)讓信號發(fā)生器輸出方波信號，觀察采集系統(tǒng)顯示器顯示的采集值是否跟蹤輸入信號的值跳變。加大方波信號的頻率，直到系統(tǒng)不能跟蹤測量，記錄采集系統(tǒng)能夠跟蹤測量的頻率范圍。分析得出提高你的采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的措施有哪些，改進(jìn)系統(tǒng)，直至達(dá)到滿意的效果，記錄此時(shí)采集系統(tǒng)能夠跟蹤測量的頻率范圍。讓信號發(fā)生器輸出連續(xù)的正弦波信號，觀察此時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性優(yōu)化的系統(tǒng)的采集結(jié)果，如果效果不好，分析原因并改進(jìn)。3 探究內(nèi)容：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后可以通過查詢或中斷的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，針對本實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是采用查詢方式好還是中斷方式好？4 實(shí)驗(yàn)原理 1. PCF8591芯片 PCF8591是單片、單電源低功耗8

4、位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入、一個(gè)輸出和一個(gè)串行I2C總線接口。3個(gè)地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個(gè)器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件地址、控制和數(shù)據(jù)通道通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復(fù)用模擬量輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。我實(shí)現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換是使用通道0將滑動變阻器兩端的電壓AIN0AIN3：模擬信號輸入端。 A0A2：引腳地址端。VDD、VSS：電源端。（2.56V）SDA、SCL：I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線。OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘

5、選擇線，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) EXT 接地。AGND：模擬信號地。AOUT：D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。VREF：基準(zhǔn)電源端。地址：I2C總線系統(tǒng)中的每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活。該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)地址引腳A0、A1和A2來設(shè)置。在I2C總線協(xié)議中地址必須是起始條件后作為第一個(gè)字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀/寫位。（見下圖）控制字：發(fā)送到PCF8591的第二個(gè)字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于控制器件功能。控制寄存器的高板字節(jié)用于允許模擬輸出，和將模擬輸入編程為單端過查分輸入。低半字節(jié)選擇一個(gè)有高板字節(jié)定義的模擬輸入通道。如果自動

6、增量標(biāo)志置1，每次A/D轉(zhuǎn)換后通道號將自動增加。如果自動增量模式是使用內(nèi)部振蕩器的應(yīng)用中所需要的，那么控制字中模擬輸出允許標(biāo)志應(yīng)置1。這要求內(nèi)部振蕩器持續(xù)運(yùn)行，因此要防止振蕩器啟動延時(shí)的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤結(jié)果。模擬輸出標(biāo)志可以在其他時(shí)候復(fù)位以減少靜態(tài)功耗。D/A轉(zhuǎn)換：發(fā)送給PCF8591的第三個(gè)字節(jié)被存儲到DAC數(shù)據(jù)寄存器，并使用片上D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓。這個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器由連接至外部參考電壓的具有256個(gè)接頭的電阻分壓電路和選擇開關(guān)組成。模擬輸出電壓由自動清零單位增益放大器緩沖。這個(gè)緩沖放大器可通過設(shè)置控制寄存器的模擬輸出允許標(biāo)志來開戶或關(guān)閉。在激活狀態(tài)，輸出電壓保持到新的數(shù)據(jù)字節(jié)被發(fā)送。A

7、/D轉(zhuǎn)換：A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)。在A/D轉(zhuǎn)換周期將來臨時(shí)片上D/A抓換器和高增益比較器。一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期總是開始于發(fā)送一個(gè)有效讀模式地址給PCF8591之后。A/D轉(zhuǎn)換周期在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖的后沿被觸發(fā)，并在傳輸前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)執(zhí)行。一旦一個(gè)轉(zhuǎn)換周期被觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣將保存到芯片被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的8位二進(jìn)制碼。PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無

8、需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。下圖為PCF8591內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：PCF8591內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖開發(fā)板上PCF連線圖2. 實(shí)驗(yàn)電路3. 流程圖設(shè)計(jì)開始啟動轉(zhuǎn)化NAD是否轉(zhuǎn)換結(jié)束Y輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輸入為4v方波時(shí)： 在輸入為最高電壓為4V，最低電壓為1V的方波時(shí)，采集到的值為4.004V和0.989V，在誤差允許范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)方波的頻率，最大可以跟蹤到9

9、9Hz的方波信號，在方波頻率為100Hz時(shí)，便不能正常測量。當(dāng)輸入為3V的DC波形時(shí) 在輸入為最高電壓為3V，最低電壓為0V的DC波形時(shí)，采集到的值在0V3V之間，能夠很好的實(shí)現(xiàn)跟蹤測量，調(diào)節(jié)波形頻率，最大可以跟蹤到99Hz的波形信號，在頻率為100Hz時(shí)，便不能正常測量。 量程擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中，數(shù)碼管前面兩位表示整數(shù)部分電壓，后面兩位表示小數(shù)部分電壓，當(dāng)輸入為最高電壓10V，最低電壓1V的方波時(shí)，測量值為9.89V和0.95V，跟蹤頻率最大99Hz6 結(jié)果分析：在實(shí)驗(yàn)中，分別對方波，正弦波做了跟蹤測量，測量值和實(shí)際值均在測量范圍內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)探究知，測量的方波信號和正弦波信號頻率在99Hz以及99Hz

10、以下時(shí)，可以很好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤測量。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。由此可以推論出此次設(shè)計(jì)中，PCF8591的I2C總線的最大跟蹤頻率在100Hz以下。由于PCF8591的外部參考電壓是5V，所以最大能夠測量的外部輸入電壓近似為5V(比5V稍小，轉(zhuǎn)換范圍在05*（1-28）V)，實(shí)驗(yàn)中要求測到5V以上的電壓值，需要對外部輸入電壓進(jìn)行分壓處理，只需選擇合適的電阻就行。此次選擇的電阻為

11、5k和10k，將輸入電壓降低到原電壓的1/3，這樣便可將測量范圍擴(kuò)大三倍的目的。附錄：實(shí)驗(yàn)程序/*初始化*/#ifndef _XPT2046_H_#define _XPT2046_H_/-包含頭文件-/#include<reg51.h>#include<intrins.h>/-重定義關(guān)鍵詞-/#ifndef uchar#define uchar unsigned char#endif#ifndef uint#define uint unsigned int#endif#ifndef ulong#define ulong unsigned long#endif/-定義使用

12、的IO口-/sbit CLK = P10; /時(shí)鐘 sbit CS = P11; /片選sbit DIN = P12; /輸入sbit DOUT = P13; /輸出uint Read_AD_Data(uchar cmd);uint SPI_Read(void);void SPI_Write(uchar dat);#endif/*總線初始化及AD/DA轉(zhuǎn)換函數(shù)初始化*/#include"XPT2046.h"/*函數(shù)名：TSPI_Start*輸 入：無*輸 出：無*功 能：初始化觸摸SPI*/void SPI_Start(void)CLK = 0;CS = 1;DIN = 1

13、;CLK = 1;CS = 0;/*函數(shù)名：SPI_Write*輸 入：dat：寫入數(shù)據(jù)*輸 出：無*功 能：使用SPI寫入數(shù)據(jù)*/void SPI_Write(uchar dat)uchar i;CLK = 0;for(i=0; i<8; i+)DIN = dat >> 7; /放置最高位dat <<= 1;CLK = 0;/上升沿放置數(shù)據(jù)CLK = 1;/*函數(shù)名：SPI_Read*輸 入：無*輸 出：dat：讀取 到的數(shù)據(jù)*功 能：使用SPI讀取數(shù)據(jù)*/uint SPI_Read(void)uint i, dat=0;CLK = 0;for(i=0; i&l

14、t;12; i+)/接收12位數(shù)據(jù)dat <<= 1;CLK = 1;CLK = 0;dat |= DOUT;return dat;/*函數(shù)名：Read_AD_Data*輸 入：cmd：讀取的X或者Y*輸 出：endValue：最終信號處理后返回的值*功 能：讀取觸摸數(shù)據(jù)*/uint Read_AD_Data(uchar cmd)uchar i;uint AD_Value;CLK = 0;CS = 0;SPI_Write(cmd);for(i=6; i>0; i-); /延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)果CLK = 1; /發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘周期，清除BUSY_nop_();_nop_();CLK

15、= 0;_nop_();_nop_();AD_Value=SPI_Read();CS = 1;return AD_Value;/*main函數(shù)*/#include"reg51.h"#include"XPT2046.h"/-定義使用的IO-/#define GPIO_DIG P0/-定義全局變量-/unsigned char code DIG_CODE17=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;unsigned char table8=

16、0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F的顯示碼unsigned char DisplayData8;/用來存放要顯示的8位數(shù)的值void DigDisplay(void);void main(void)uint temp,count;while(1) if(count=50) count=0; temp = Read_AD_Data(0xE4)*1.22;/ AIN3 外部輸入，并轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量 count+; DisplayData0=0;/只使用4位數(shù)碼管顯示 DisplayData1=0; DisplayData2=0; DisplayData3=0; DisplayData4=DIG_CODEtemp%10000/1000; /整數(shù)部分 DisplayData5=DIG_CODEtemp%1000/100; /第一位小數(shù)