微型計算機原理及接口技術(shù)課程設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、微型計算機原理及接口技術(shù)課程設(shè)計微型計算機原理及接口技術(shù)課程設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院： 專業(yè)： 電子信息工程班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師：第一部分課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計內(nèi)容（論文闡述的問題）設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本要求：要求具有8路模擬輸入 輸入信號為0500mV 采用數(shù)碼管8位，顯示十進(jìn)制結(jié)果 輸入量與顯示誤差<1%發(fā)揮部分：1、速度上實現(xiàn)高精度采集 2、提高系統(tǒng)精度 3、設(shè)計抗干擾性二、設(shè)計完成后提交的文件和圖表1. 計算說明書部分： 數(shù)據(jù)采集是指將壓力、流量、溫度、位移等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示、或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)就稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采

2、集的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，取得所需的數(shù)據(jù)。同時，將計算機得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)控。 數(shù)據(jù)采集性能的好壞，主要取決于他的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具有功能：（1）數(shù)據(jù)采集計算機按照選定的采樣周期，對輸入到系統(tǒng)的模擬信號進(jìn)行采樣，稱為數(shù)據(jù)采集。（2）模擬信號處理模擬信號是指隨時間連續(xù)變化的信號，模擬信號處理是指模擬信號經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確性判斷、標(biāo)度變換、線性化等處理。（3）數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理是指數(shù)字信號輸入計算

3、機后，需要進(jìn)行碼制的轉(zhuǎn)換處理，如BCD碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼，以便顯示數(shù)字信號。（4）屏幕顯示就是用各種顯示裝置如CRT、LED把各種數(shù)據(jù)以方便于操作者觀察的方式顯示出來。（5）數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲是就是將某些重要數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器上。 在本次設(shè)計中，我們采用8259作為中斷控制器，8255作為并行接口，ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2、圖紙部分：含有總體設(shè)計的功能框圖、所用各種器件的引腳圖、內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖以及相應(yīng)器件的真值表，還包括總設(shè)計的硬件連接圖及軟件設(shè)計流程圖等。三、課程設(shè)計進(jìn)程安排序號 設(shè)計（論文）各階段名稱 日期1 獲得設(shè)計題目及要求，查閱資料 7月10日2 形成初步設(shè)計思路及有針對

4、性檢索資料 7月11日3 設(shè)計方案論證及選用相應(yīng)器件 7月12日4 設(shè)計硬件連接圖及軟件編程 7月13日5 形成整體設(shè)計報告并上交 7月14日四、主要參考資料1、微型計算機原理及接口技術(shù) 裘雪紅、顧新 西安電子科技大學(xué)出版社2、高性能模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件 劉書明、劉斌 西安電子科技大學(xué)出版社3、微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用 劉樂善 華中理工大學(xué)出版社4、IBM-PC 匯編語言程序設(shè)計 沈美明、溫冬嬋 清華大學(xué)出版社5、單片機典型外圍器件及應(yīng)用實例 是實科技編著 人民郵電出版社6、智能儀器原理及應(yīng)用 趙茂泰 電子工業(yè)出版社7、微型計算機接口原理與技術(shù) 鄒逢興 國防科技大學(xué)出版社8、匯編語言教程 朱慧真

5、 國防工業(yè)出版社9、微型計算機接口技術(shù) 吳延海 重慶大學(xué)出版社10、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石 高等教育出版社第二部分一、 設(shè)計指標(biāo)設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本要求：要求具有8路模擬輸入 輸入信號為0500mV 采用數(shù)碼管8位，顯示十進(jìn)制結(jié)果 輸入量與顯示誤差<1%第一章 系統(tǒng)概述一、總體的工作過程與原理壓力，流量，溫度，位移等非電信號送入傳感器，經(jīng)傳感器中轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娦盘栞敵銮逸敵鰹槟M信號。由于輸出的電信號太微弱，所以在送入采樣保持電路前要經(jīng)過一級放大器進(jìn)行放大，本系統(tǒng)采用ICL7150放大10倍，可將0500mv的電壓信號放大到05V。此電壓信號為模擬量，故需要送入型號為ADC08

6、09的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此芯片可以將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，而且同時可處理8位信號，將轉(zhuǎn)換后的信號即數(shù)字信號送入8259中斷控制器進(jìn)行中斷請求，經(jīng)過8255并行口與8086CPU對中斷請求的響應(yīng)進(jìn)行中斷處理，將處理的中斷的子程序的信號送入鎖存器保存，再將鎖存器中的信號送入有驅(qū)動功能的LED顯示器進(jìn)行顯示。傳感器，放大器，采樣電路，采樣保持電路，AD轉(zhuǎn)換器，并行接口電路，8086CPU，8253定時器，中斷控制，鎖存器，LED顯示器以及比較器全部采用集成的成品件。二、設(shè)計方案論證（一）AD轉(zhuǎn)換器的選擇1、根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器基本原理及特點，可以分為以下類型：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、

7、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。1）積分型（如TLC7135）    積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。2）逐次比較型（如ADC0809）逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功

8、耗低，在低分辯率（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，

9、而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。4）-(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）    -型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。5）電容陣列逐次比較型    電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置D

10、A轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。6）壓頻變換型（如AD650）壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要

11、外部計數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。考慮到設(shè)計指標(biāo)要求8路模擬輸入，可采用的A/D轉(zhuǎn)換器有多種如：AD574、ADC0809、ADC0804等，但是ADC0809本身具有8路模擬輸入端，不需要多路開關(guān)，考慮節(jié)省硬件開支故采用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2、ADC0809的技術(shù)指標(biāo)如下 ：（1）主要特性1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?）轉(zhuǎn)換時間為100s4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由

12、8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8路開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換、逐次逼近型寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。圖2ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3 ADC0809管腳圖（3）外部引腳功能ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3所示。下面說明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線用于選擇8路模擬輸入中的一路，如表1表1 ADDA、ADDB、ADDC真值表ALE：地址鎖存允許信

13、號，輸入，高電平有效。START：AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一5V。GND：地。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動AD轉(zhuǎn)換，之后E

14、OC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。三、傳感器在此僅對壓力做出詳細(xì)介紹。溫度，流量，位移等只需用相應(yīng)的傳感器來對其做出相對應(yīng)的變化。3.1.1 應(yīng)變式傳感器的測量原理應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體受到外力作用時，會產(chǎn)生機械變形，從而導(dǎo)致阻值變化。導(dǎo)體與半導(dǎo)體的電阻與電阻率及其幾何尺寸有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)體受外力作用時，電阻率及幾何尺寸的變化會引起電阻的變化。因此，通過測量電阻值的大小，就可以反映外界力的大小。3.1.2 傳感

15、器的分類應(yīng)變片式電阻傳感器按其測量電路（橋式）可分為單臂式、半橋式、全橋式三種。所謂半橋，即將電橋的四臂接入四應(yīng)變片。其中：一片受拉，一片受壓，另外兩應(yīng)變片不受力。全橋是兩片受拉，兩片受壓，故靈敏度比半橋式的大一倍。本方案采用全橋式傳感。3.1.3 傳感器的選擇 電阻型應(yīng)變片傳感器的測量電路可采用橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個電阻均可以是應(yīng)變片。如能恰當(dāng)?shù)倪x擇個橋臂的電阻，可以消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應(yīng)變片的電阻有關(guān)。3.1.4 傳感器的電路圖3.2 放大器3.2.1 放大器的原理 運算放大器的核心是一個差動放大器，由兩個三極管背靠背連著，共同分擔(dān)一個恒流源的電流

16、，三極管一個是運放的正向輸入，一個是反向輸入正向輸入的三極管放大后送到一個功放電路放大輸出3.2.2 放大器的分類放大器可分為；分立元件放大器和集成運算放大器集成運算放大器可分為：1通用性運放2低失調(diào)低溫漂運放3高輸入阻抗運放4斬波穩(wěn)零運放 3.2.3 放大器的的設(shè)計放大器的設(shè)計，就是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，確定電路方案、選擇電子器件、計算電路各元件參數(shù)。一般根據(jù)電信號的頻帶而對放大器的設(shè)計進(jìn)行考慮。由于電子器件的離散型以及環(huán)境、溫度和其他條件的隨機性，使理論與實際結(jié)果不符，需要在實驗中反復(fù)調(diào)試、修正，直到滿足指標(biāo)要求。在通常情況下，采用集成運放設(shè)計放大器會使電路既簡單又易于調(diào)試，而且穩(wěn)定性高。集

17、成運算放大器是一種高輸入阻抗、低輸出阻抗、高放大倍數(shù)且便于調(diào)試的優(yōu)質(zhì)放大器。集成運放內(nèi)部電路由偏置電路、中間放大器、輸出及過載保護電路組成。運放的開環(huán)放大倍數(shù)可達(dá)106；當(dāng)它構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋放大電路時，其電壓放大倍數(shù)只取決于外加電阻值的大小，與運放本身無關(guān)，安裝調(diào)試十分簡單。2.2.4 集成運放的選用原則【1】 如果沒有特殊的要求，一般選用通用型運放，因為這類器件直流性能較好，種類也較多，且價格較低。在通用運放系列中，又有單運放、雙運放、四運放等多種，對于多運放器件，其最大的特點是內(nèi)部對稱性好，這樣也可以減少器件、簡化線路、縮小面積和降低成本?！?】 如果被放大信號源的輸出阻抗很大，則可選用高輸

18、入阻抗的運算放大器，另外像采樣|保持電路、峰值檢波、優(yōu)質(zhì)對數(shù)放大器和積分以及生物信號放大、提取、測量放大器電路等也需使用高輸入阻抗集成運放?！?】 如果系統(tǒng)對放大電路要求低噪聲、低溫漂、高精度，則可以選用高精度、 低漂移的低噪聲集成運放，適用于再毫伏級或更微弱的信號檢測、精密模擬運算、高精度穩(wěn)壓源、高增益直流放大、自控儀表等場合?！?】 對于視頻信號放大、高速采樣|保持、高頻振蕩及波形發(fā)生器、鎖相環(huán)等場合，則應(yīng)選用高速寬帶集成運放。【5】 對于要求低功耗場合，如便攜式儀表、遙感遙測等場合，可選用低功耗運放；對于需要高壓輸入|輸出場合，可選用高壓運放；對于需增益控制場合，可選用程控運放；其他如寬

19、范圍電壓振蕩、伺服放大和驅(qū)動、DC-DC變換等場合，可選用跨導(dǎo)型、電流型等相應(yīng)的集成運放。 一般來講，選擇器件的原則是在滿足所需電氣特性的前提下，盡可能選擇價格低廉、市場供貨充足的器件，即選用性能價格比高、通用性強的器件。在本實驗中，選用AD620型放大器即可滿足電路所需。3.2.5 放大器的參數(shù)在分析運放時，一般將它看成理想運放。理想運放的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大，輸入偏置電流為零，輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零，失調(diào)電壓和失調(diào)電流及溫漂為零。 AD620的參數(shù)：最大輸入失調(diào)電壓125uv(最大電流50uA) 最大輸入失調(diào)漂移1uv/ 最大輸入偏置電流20nA 最小共模抑制比（G=10）為93d

20、B 帶寬120KHz（G=100） 建立時間15us（0.01%） 工作溫度范圍：-55+125 電源電壓極限范圍±18V 差分輸入電壓極限范圍±25V3.2.6 放大器的電路圖3.3采樣/保持電路采樣/保持電路在下列情況被使用：逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器前端同時數(shù)據(jù)采集3.3.1 采樣/保持電路的原理采樣/保持電路可用圖2 - 1來體現(xiàn)其原理采樣/保持電路通常用保持電容、輸入輸出緩沖放大器、邏輯輸入控制的開關(guān)電路等組成。采樣期間，邏輯輸入控制的模擬開關(guān)是閉合的，A1是高增益放大器，它的輸出通過開關(guān)給電容器快速充電；保持期間，開關(guān)斷開，由于運算放大器A2輸出阻抗很高，在理想情況下

21、，電容器將保持充電時的最終值。 圖2 1在采樣期間，期望電容上的電壓和輸入信號一致，并跟隨輸入信號的變化；而在保持期間能使電容上的電壓不變并和輸出保持一致。但實際上由于受到運算放大器性能的限制，實際采樣/保持電路的輸入輸出曲線如圖2 2圖2 - 2 3.3.2 采樣/保持電路的參數(shù)在保持方式時，采樣/保持電路的兩個重要參數(shù)是：電壓跌落率和保持方式的前饋。影響電壓跌落率的因素有電容的泄露電流，開關(guān)的泄露電流和輸出放大器泄露電流，及其它雜散泄露電流，電容的電壓變化率為：3.33 采樣/保持電路的采樣頻率采樣頻率必須滿足采樣定理Fs=2fmax，fma為被采樣信號的最高頻率。3.4 AD轉(zhuǎn)換器3.4

22、.1 AD0809的工作原理AD0809為8位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器以及與微控制器兼容的控制邏輯。8個單獨模擬信號可從8通道多路轉(zhuǎn)換器直接輸入。§1. AD0809主要性能 COMS工藝制造 單電源供電 逐次比較型 無需外部進(jìn)行零點和滿度調(diào)整 并行輸出 可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容 易與各種微控制器接口 具有鎖存控制的8路模擬開關(guān) 分辨率為8位 功耗為15mW轉(zhuǎn)換時間（）為128 轉(zhuǎn)換精度為%（二）DA轉(zhuǎn)換器的選擇數(shù)字量的值是由每一位的數(shù)位權(quán)疊加而得的。例如，8位二進(jìn)制數(shù)10000001，只有最高位和最低位上的代碼為l，其他數(shù)位均為0，最高位的位權(quán)

23、為2的7次方128，最低位的位權(quán)為2的0次方1，所以，該二進(jìn)制數(shù)10000001就是十進(jìn)制數(shù)129。把一個數(shù)字量變?yōu)槟M量，必須是把每一位上的代碼按照位權(quán)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量，再把各模擬量相加，這樣，求和得到的便是與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。在DA轉(zhuǎn)換電路中，通常采用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字量到模擬電流的轉(zhuǎn)換，再利用運算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。所以，要把一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，實際上需要兩個環(huán)節(jié)，即先由DA轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量變?yōu)槟M電流，再由運算放大器將模擬電流變換為模擬電壓。目前，DA轉(zhuǎn)換集成電路芯片大多數(shù)都包含了這兩個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。對只包含第一個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的DA轉(zhuǎn)換芯片時，需要外接運算放大器才能得到模

24、擬電壓。DA轉(zhuǎn)換器品種繁多，有權(quán)電阻DAC、變形權(quán)電阻DAC、T型電阻DAC、電容型DAC和權(quán)電流DAC等。各種勘DAC在電路結(jié)構(gòu)上，通常都由基準(zhǔn)電源、解碼網(wǎng)絡(luò)、運算放大器和緩沖寄存器等部件組成。不同的DAC主要差別在不同的解碼網(wǎng)絡(luò)形式。其中，T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的DAC，由于網(wǎng)絡(luò)電阻阻值少(只有只和2R兩種)、簡單、轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換誤差小等優(yōu)點特別受到青睞。表2給出了常用的各類DA轉(zhuǎn)換器及其性能。其中，既有分辨率較低、價格也較低的通用8位芯片，也有速度和分辨率較高、價格也較高的1216位芯片；既有電流輸出的芯片，也有電壓輸出的芯片；服有內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)輸入寄存器，不能直接和系統(tǒng)總線相連的、結(jié)構(gòu)簡單的

25、芯片，如DAC0808，DAC0800等，也有內(nèi)部有數(shù)據(jù)輸入寄存器，可以直接和系統(tǒng)總線相連的芯片，如DAC0832，DACl210等。通過比較各個芯片的功能并結(jié)合設(shè)計的要求綜合考慮后決定用DAC0832來完成DA轉(zhuǎn)換功能，因為0832的接口簡單，轉(zhuǎn)換容易并且價格低廉。DAC0832是美國數(shù)據(jù)公司研制的8位雙緩沖器DA轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)，對參考電流進(jìn)行分流完成DA轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流人輸出。1、DAC0832主要性能參數(shù)：分辨率8位；轉(zhuǎn)

26、換時間1µs；參考電壓±10V電源+5V一+15V功耗20mW。2、DAC0832的結(jié)構(gòu)DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE;第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號XFER。因為有兩級鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。圖4 0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖 圖4中，當(dāng)ILE為高電平、CS和WR1為低電平時，LEl為高電平，輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變

27、化；此后，當(dāng)WRl由低變高時，LEl為低電平，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這時的輸入寄存器的輸出端不再跟隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化。對第二級鎖存器來說，XFER和WR2同時為低電平時，LE2為高電平，DAC密存器的輸出跟隨其輸入而變化：此后，當(dāng)WR2由低變高時，LE2變?yōu)榈碗娖?，將輸入寄存器的?shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器中。3、DAC0832的引腳特性DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下:CS片選信號和允許鎖存信號ILE組合來決定WRl是否起作用。ILE允許鎖存信號。WR1寫信號1，作為第一級鎖存信號，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器(此時必須和CS、ILE同時有效)。WR2寫信號2，將鎖

28、存在輸入寄存器今的數(shù)據(jù)送到DAC竊行器今進(jìn)行鎖存 傳輸控制信號XFER必須有效)。XFER傳輸控制信號，用來控制WRl。DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端。IOUT1模擬電流輸出端1。當(dāng)DAC寄存器中全為1時，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時，輸出電流為0。IOUT2模擬電流輸出端20 .IOUT1+IOUT2常數(shù)。RFB反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，相當(dāng)于將反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。VREF參考電壓輸入端。可接電壓范圍為±10V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過VREG與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。VCC芯片供電電壓端.范

29、圍為+5v一+15vAGND模擬地，即模擬電路接地端。DGND數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。4、DAC0832的工作方式DAC0832進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，可以來用兩種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存：第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說，就是使WR2和XFER都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號ILE處于高電平、CS處于低電平，這樣，當(dāng)WR1端來一個負(fù)脈沖時就可以完成1次轉(zhuǎn)換。第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使WR1和CS為低電乎，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號處于無效

30、狀態(tài)而直通;當(dāng)WR2和XFER端輸入1個負(fù)脈沖時，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài),提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)上述對DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：(1)單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時接收數(shù)據(jù)，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬星輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。(2)雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收數(shù)據(jù)，再控制輸入寄存器的輸出數(shù)據(jù)到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入數(shù)據(jù)。此方式適用于多個DA轉(zhuǎn)換同步輸出的情形。(3)直通方式。直通方式是數(shù)據(jù)不經(jīng)兩級鎖存器鋇存，即WR1

31、,WR2,XFER,CS均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與DA的轉(zhuǎn)換。5、DAC0832的外部連接DAC0832的外部連接線路如圖5所示。由于在DAC0832內(nèi)部已有數(shù)據(jù)鎖存器，所以在控制信號作用下，可以對總線上的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行鎖存。當(dāng)CPU執(zhí)行對DAC0832的輸出指令時，WR1和CS信號處于有效電平。DAC0832的輸出是電流型的，直接得到的轉(zhuǎn)換輸出信號是模擬電流IOUT1和IOUT2(IOUT1+IOUT2=常數(shù))。為得到電壓輸出，應(yīng)加接個運算放大器，這時得到的輸出電壓VOUT是單極性，極性與VREF相反。

32、如果要輸出雙極性電壓，應(yīng)于輸出端再接一個運算放大器，作為偏移電路。圖5 DAC0832的外部連接6、集成運放NE5534由于 DAC0832 輸出級沒有加集成運放，所以需外加 NE5534 相配適用。NE5534 封裝如下圖8所示。圖6 NE5534的管腳圖IN-：反相輸入端；IN+：同相輸入端；OUT：輸出端；Balance：平衡輸入端,主要作用是,使內(nèi)部電路的差動放大電路處于平衡狀態(tài)；COMP/Bal：調(diào)節(jié)外接電阻,以達(dá)到改善放大器的性能和輸出電壓；VCC-、 VCC+：正負(fù)電源；（三）中斷控制器的選擇1、中斷系統(tǒng)功能與組成1）中斷系統(tǒng)應(yīng)具有的功能多中斷源請求，軟件可禁止與允許每個請求。中

33、斷優(yōu)先級判別功能，響應(yīng)優(yōu)先級別最高的請求。中斷嵌套功能，高級別中斷可中斷較低級別的中斷。響應(yīng)中斷后，能自動轉(zhuǎn)向中斷處理程序，處理結(jié)束后自動返回主程序。2）中斷系統(tǒng)的組成微處理器應(yīng)有處理中斷請求的機制與相關(guān)硬件電路：接收請求，響應(yīng)請求，保護現(xiàn)場，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，處理完返回。外圍應(yīng)有一個與處理器匹配的中斷控制器：管理多個中斷源，優(yōu)先級裁決，中斷源屏蔽等功能。依處理器的結(jié)構(gòu)編寫中斷處理程序，安排相關(guān)的系統(tǒng)初始化。2、本次設(shè)計中斷控制器選用82591）可編程中斷控制器8259功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳定義（1）可編程中斷控制器8259功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中斷請求寄存器（IRR）：8位寄存器，可寄存儲 8 個

34、請求輸入（IR0-IR7）的狀態(tài)。 Ø優(yōu)先權(quán)裁決器：對請求源與正在被服務(wù)的中斷級進(jìn)行比較，裁決出優(yōu)先級最高者。Ø中斷服務(wù)寄存器（ISR）：8位，與IRR對應(yīng)，記錄正被處理的請求。IRn被響應(yīng)，ISRn被置1；IRn處理結(jié)束， ISRn置0。Ø中斷屏蔽寄存器（IMR）：8位，某位置1對應(yīng)IRR位的請求被屏蔽。 控制邏輯：寄存8259的命令字，多種工作方式的控制，向處理器發(fā)INT，接收。 級聯(lián)緩沖器/比較器：多片8259級聯(lián)時，對從片的標(biāo)識碼進(jìn)行寄存與比較。圖7 8259內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）8259的外部引腳信號圖8 8259外部引腳圖8259的主要引腳信號說明D7-D0

35、：雙向數(shù)據(jù)總線, 與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線連接。:片選信號,低電平有效，確定芯片在系統(tǒng)I/O空間位置。A0: 地址線,8259占相鄰的2個I/O地址,與CS信號配合,A0=0選偶端口,A0=1選奇端口。ØCAS2-CAS0: 雙向級聯(lián)線。在主從級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，主片輸出，從片輸入。主片發(fā)從片標(biāo)識碼，從片比較，符合時輸出中斷類型碼。：雙向信號，低電平有效。輸入時為SP，硬接線確定主從（主片SP接高電平）；輸出時為EN，作為DB緩沖允許。INT：中斷請求，輸出，與CPU的INTR腳相連，向CPU發(fā)出中斷請求。：中斷響應(yīng)，低電平有效，輸入，與8086/88相連。2) 8259A的工作方式(1) 優(yōu)先級方式

36、選擇a)全嵌套方式：固定優(yōu)先級,IR0最高,IR7最低。b)特殊全嵌套:與a)基本相同,響應(yīng)同級中斷請求c)優(yōu)先級自動循環(huán)：某級被響應(yīng)后，降為最低。如IR4被響應(yīng)后，優(yōu)先級順序變?yōu)椋?#160;  IR5,IR6,IR7,IR0,IR1,IR2,IR3,IR4。d)優(yōu)先級特殊循環(huán)方式：編程指定最低優(yōu)先級，其它同c)。(2)屏蔽中斷方式選擇a)普通屏蔽方式選擇：對應(yīng)IMR為1的位中斷請求將被屏蔽。    例如：IMR=00001100，則IR2、IR3的中斷請求被禁止。b）特殊屏蔽方式: 執(zhí)行中斷程序時,動態(tài)改變優(yōu)先級結(jié)構(gòu),屏蔽本級,允許較低級請求被服務(wù)。

37、(3)中斷結(jié)束方式：ISRn被清0，中斷結(jié)束。a)自動結(jié)束方式：8259收到后自動把中斷在服務(wù)寄存器ISRn位清0（適用于單片8259和中斷無嵌套的情況）。b)一般結(jié)束方式：8086發(fā)命令清除中斷在服務(wù)寄存器ISR中的最高的置1位清0，結(jié)束中斷（在全嵌套方式下使用）。c)特殊結(jié)束方式：編程向8259發(fā)出一條特殊中斷結(jié)束命令，將中斷在服務(wù)寄存器ISR中指定位清0（在非全嵌套方式下使用）。(4)中斷請求信號觸發(fā)方式選擇a）邊沿觸發(fā)方式。8259的IR0-IR7輸入端出現(xiàn)低電平到高電平的正跳變信號，表示有中斷請求。出現(xiàn)正跳變信號后，允許高電平保持。b）電平觸發(fā)信號。 8259的IR0-IR7輸入端出

38、現(xiàn)高電平信號時，表示有中斷請求。該請求信號必須在中斷服務(wù)程序中的中斷結(jié)束命令執(zhí)行前予以撤消，否則會引起不應(yīng)有的第二次中斷。3）8259的命令字8259工作方式設(shè)定及運行中的控制，均由8086發(fā)來的命令字(1字節(jié)代碼)決定。命令字分初始化命令字和操作命令字兩種，系統(tǒng)向8259兩個端口之一寫入。8259根據(jù)接收命令字的端口號，特征位及順序決定命令字的屬性。(1)初始化命令字(Word,ICW) ICW1-ICW4四個初始化命令字,有接收順序要求。8259初始化流程如下：   （a）ICW1的格式與定義：芯片控制     

39、;    LTIM=1中斷請求電平觸發(fā), LTIM=0中斷請求邊沿觸發(fā)。SNGL=1單片8259系統(tǒng)，SNGL=0多片8259系統(tǒng)。AD1在8088/8086系統(tǒng)中不起作用。IC4在8088/8086系統(tǒng)中恒為1。（b）ICW2的格式和定義：中斷類型碼設(shè)定         ICW2用來指定8259的8個中斷請求IR7-IR0的中斷類型碼。其中T7-T3由程序?qū)懭?，最?位（D2-D0）根據(jù)當(dāng)前正在響應(yīng)的中斷請求IRn的n值自動填入。例如：若ICW2為40H，則IR0-IR7所對應(yīng)的中斷

40、類型碼為40H。41H，42H，43H，44H，45H，46H，47H。（c）ICW3的格式和定義：在多片8259系統(tǒng)中，其格式和含義依主片、從片而定。主片的格式：  若主片的IR0-IR7的某個引腳上連接從片8259，則ICW3的該位為1。從片的格式：ID2-ID0的值取決于本從式的INT輸出端連接到主片IR哪個輸入端。例如，連接到IR7，則                   ID2ID1ID

41、0=111 從片的CAS2-CAS0接收從主片8259發(fā)來的編碼，并與本身的ICW3中的ID2-ID0比較，若相等，則在中斷響應(yīng)過程中，將自己的中斷類型碼送CPU。（d）ICW4的格式和定義：工作方式設(shè)定SFNM=1特殊全嵌套、SFNM=0非特殊全嵌套。AEOI=1中斷自動結(jié)束、AEOI=0一般中斷結(jié)束。BUF=0，DB無緩沖，用作；BUF=1，DB有緩沖，主從片軟件定。（當(dāng)BUF=1時），M/S=1為主片、M/B=0為從片。PM=1，8086系統(tǒng)； PM=0，8085系統(tǒng)。（四） 并行接口選擇本次設(shè)計采用8255作為并行接口，8255外部引腳如圖9圖9 8255外部引腳1、8255的主要性能

42、參數(shù)為（1）共有4個端口：A口連 8位并行PA口線B口連 8位并行PB口線C口連 8位并行PC口線控制端口 （2） 三種工作方式。 （3）可提供中斷和查詢數(shù)據(jù)傳輸方式。 （4）可直接與系統(tǒng)總線相連。2、內(nèi)部組成及引腳功能如圖10圖10 8255內(nèi)部組成（1）與CPU接口部分 緩沖器：8位雙向三態(tài)緩沖器。 讀寫邏輯：對A口、B口、C口讀/寫控制，對控制口寫控制字。（2）與外設(shè)接口部分 A口：8位輸出鎖存、8位輸入緩沖。B口：8位輸出鎖存、8位輸入緩沖。C口：8位輸出鎖存、8位輸入緩沖。（3）引腳功能 CPU與8255交換數(shù)據(jù)引腳RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括

43、控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。CS:片選信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊。RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。A0、A1：內(nèi)部寄存器尋址。A1 A0 0 0 讀寫A口 0 1 讀寫B(tài)口 1 0 讀寫C口

44、1 1 寫控制寄存器 與I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)引腳PA0PA7：A口的8位輸入/輸出線。PB0PB7：B口的8位輸入/輸出線。PC0PC7：有如下用途：作為8位輸入/輸出線；作為兩個4位輸入/輸出線：PC0PC3、PC4PC7;可對每一位實現(xiàn)按位“置位”或“復(fù)位”控制;作為8255的狀態(tài)口;專用聯(lián)絡(luò)信號線。3、工作方式控制字 8255有三種工作方式：方式0、方式1、方式2。兩組端口可分別指定不同的工作方式。每組端口在某種工作方式下，并不要求各信號同為輸入或同為輸出，而是可以分別指定。方式選擇控制字的格式如圖11所示圖11 8255方式選擇控制字4、PC口控制字PC口的各信號線常作為控制線來使用，因

45、此，經(jīng)常需要單獨對每根信號線置1或置0。這種操作用向PC口控制字寄存器送出PC口控制字來實現(xiàn)。 PC口控制字格式如圖12 所示。圖12 PC口控制字【6】 LED顯示5.4.1抗干擾 5 .4.2 電源干擾采用IBM-PC/XT機內(nèi)電源，種類有正負(fù)5V,正負(fù)12V，由于直流電源供電電壓隨著交流電壓。負(fù)載電流，環(huán)境溫度，元器件老化等因素變化而變化，產(chǎn)生干擾，因此，在本系統(tǒng)的擴展擦卡接口電源入口處設(shè)置了低頻和高頻濾波電路。以消除電源的干擾。55.3 采樣保持電容的選擇S/H LF398的采樣保持電容Ch對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，要選用高質(zhì)量的電容以減少損耗，提高測試精度。55.4 地線干擾當(dāng)一根導(dǎo)線的

46、兩端在不同的接點接地時，由于導(dǎo)線內(nèi)阻導(dǎo)致這兩點電位差并不為0。若將此電位差看作信號源，便會影響輸入和輸出，為了克服影響，本系統(tǒng)采樣一下2條措施：（1）數(shù)字地和模擬地分開接，最后在一點接地，以免互相串?dāng)_。（2）地線盡量短而粗，印制板上地線設(shè)計接成閉合環(huán)路，并設(shè)計出網(wǎng)格狀，以減小接地電位差。三、硬件電路連接根據(jù)以上各功能部件的選擇，按照各自的硬件連接要求及相互之間在本次設(shè)計中的關(guān)系，做出本次設(shè)計的硬件連接圖如圖13。圖13 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)原理電路圖四、軟件編程 MOV BL 04HMVLBLMOV BX , AXMOV AX , SIVSIV為中斷服務(wù)程序首地址NOP MOV 【BX】, AX

47、PUSH CSPOP AXINC BXINC BXMOV 【BX】, AXMOV SI , 2000H數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址MOV CX , 200;AUC轉(zhuǎn)換點數(shù)，CX為次數(shù)計數(shù)器MOV OX OF802H.F802H為首地址寄存器地址MOV BX , 0103ADC轉(zhuǎn)換通道存放地址MOV AL , BXOUT DX , ALMOV DX , OFFEFHFFEFH為定時器8253控制寄存器地址、MOV AL 054H選定一號通道，16位二進(jìn)制計數(shù)碼工作方式2只讀寫低字節(jié)MOV DX OFFEBHFFFEBH為8253計數(shù)到首地址MOV BX 0102H;0102H為計數(shù)性存放地址MOV AL ,

48、 BX;00T DX ALSTI允許中斷AL:HLT;程序MPAN OP SIVMOV DX OF800H中端服務(wù)程序：INAX , DX ;從ADC轉(zhuǎn)換器讀出程序MOV SI AXINCSI數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址操作INC SIDECCX采樣次數(shù)計數(shù)器減一 JC XZ MIRET中斷返回M五、誤差分析由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中的元器件很多，從數(shù)據(jù)采集，信號處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，直至信號輸出，經(jīng)過許多環(huán)節(jié)，其中既有模擬電路，又有數(shù)字電路，各種誤差源很復(fù)雜，歸納起來數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差主要包括模擬電路誤差、采樣誤差和轉(zhuǎn)換誤差。（一）模擬電路誤差 1、 模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻 Ron 的誤差 2、 多路模擬開關(guān)泄漏電流 Is

49、 引起的誤差 3、 采樣保持器衰減率引起的誤差 4、 放大器的誤差 （二）采樣誤差 1、 采樣頻率引起的誤差 2、 系統(tǒng)的通過速率與采樣誤差 （三） A/D 轉(zhuǎn)換器的誤差 A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部件，它的性能指標(biāo)對整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，也是系統(tǒng)中的重要誤差源。選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時，必須從精度和速度兩方面考慮，選用 A/D 轉(zhuǎn)換器要考慮它的位數(shù)、速度及輸出接口。 1、A/D 轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差 1） 量化誤差 2） 失調(diào)誤差 3） 增益誤差 4) 非線性誤差 2、 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度對誤差的影響 A/D 轉(zhuǎn)換器速度用轉(zhuǎn)換時間來表示。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通過速率（吞吐時間）中， A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間占有相當(dāng)大的比重。選用 A/D 轉(zhuǎn)換器時必須考慮到轉(zhuǎn)換時間滿足系統(tǒng)通過率的要求，否則會產(chǎn)生較大的采樣誤差。 A/D 轉(zhuǎn)換器接轉(zhuǎn)換速度可分為高速、快速和低速三類。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間小于 1us ，快速的