智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第9章1節(jié)

1、第九章 智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.1簡(jiǎn)易單回路溫度控制器9.2首頁(yè)本章重點(diǎn)1.通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu) 重點(diǎn)：2.智能儀器設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題返 回9.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)，智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還是故障診斷，質(zhì)量檢測(cè)，都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著集成電路而出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)，給人類生活帶來(lái)了根本

2、性的改變。 在任何計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，都是從盡量快速，盡量正確，盡量完整地獲得數(shù)字形式的數(shù)據(jù)開(kāi)始的。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的必不可少的橋梁起著非常重要的作用。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成框圖如圖9.1： 其中，前置放大器，濾波電路，主放大器及相關(guān)電路通常合稱為信號(hào)調(diào)理電路。 被測(cè)信號(hào)一般不會(huì)與后續(xù)電路的工作范圍直接吻合，多數(shù)可能是比較微弱的信號(hào)，因此先送入前置放大器初步放大到后續(xù)電路的工作范圍內(nèi)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 對(duì)于比較大的被測(cè)信號(hào)，也可以通過(guò)衰減手段將其調(diào)整到相應(yīng)的工作范圍內(nèi)，在此環(huán)節(jié)的放大或衰減同時(shí)會(huì)考慮盡量減少干擾信號(hào)的影響

3、的問(wèn)題，一般會(huì)設(shè)計(jì)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制。隨后信號(hào)送入到濾波電路，以濾除信號(hào)主要頻率范圍以外的干擾信號(hào)，一般濾波電路采樣帶通濾波或低通濾波電路。如果信號(hào)的主要頻率范圍明確，則可以設(shè)計(jì)帶通濾波電路使只有這一頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，起到很好的濾波作用。如果信號(hào)的頻率范圍不是特別明確，一般以濾除高次諧波、耦合等產(chǎn)生的高頻雜波為主，采用低通濾波電路。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 而主放大器可將濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍，便于后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作。采樣保持電路指采樣/保持放大器（SHA）與跟蹤/保持放大器（THA），是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采樣并在一定的時(shí)間間隔內(nèi)保持該采樣值的電路，一般情況下

4、，往往對(duì)二者不加以嚴(yán)格的區(qū)分，習(xí)慣稱為采樣保持電路。 A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)已經(jīng)被變換為數(shù)字量，可以送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)可以是單片機(jī)也可以是通用的微型計(jì)算機(jī)，單片機(jī)中除了微處理器外，一般還集成了隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及A/D轉(zhuǎn)換器等電路，而且通過(guò)輸入輸出電路可以外接顯示驅(qū)動(dòng)電路，脈寬調(diào)制電路，網(wǎng)絡(luò)模塊等電路，構(gòu)成一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)，單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能。通

5、用的微型計(jì)算機(jī)則功能更加完備，計(jì)算、顯示、輸入輸出等功能更為強(qiáng)大。因此送到計(jì)算機(jī)中的數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理工作，并按照設(shè)計(jì)者希望的方式進(jìn)行各種直觀、方便的顯示。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 在上述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成中，各個(gè)組成模塊及它們之間的互相關(guān)系是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮的主要因素。 對(duì)于放大電路，如果是簡(jiǎn)單信號(hào)，采用一級(jí)放大或衰減電路將信號(hào)調(diào)整到適合后續(xù)電路工作的電壓范圍內(nèi)即可，這種情況下放大或衰減的倍數(shù)根據(jù)信號(hào)的自身特點(diǎn)很容易計(jì)算得到，可以直接將電路的參數(shù)調(diào)整到設(shè)計(jì)值。而實(shí)際的工作信號(hào)情況一般會(huì)復(fù)雜一些，往往由于考慮抗干擾等因素，將其設(shè)計(jì)成多級(jí)放大電路

6、，同時(shí)在各級(jí)放大電路之間加入必要的濾波電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。對(duì)于多級(jí)放大電路，需要將放大倍數(shù)分解到各級(jí)當(dāng)中，由于運(yùn)算放大器的種類較多，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)，一般需要對(duì)其工作頻帶、動(dòng)態(tài)范圍、放大倍數(shù)進(jìn)行選擇。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 如果是比較微弱的信號(hào)，還要求運(yùn)算放大器具有低噪聲、低漂移、低輸入偏置電流、非線性度小等特點(diǎn)，避免在放大過(guò)程中引入干擾。這樣在各級(jí)放大電路中根據(jù)情況的不同往往采用不同的放大器，分配不同級(jí)的放大倍數(shù)時(shí)主要按照誤差分配的等作用原則進(jìn)行分配，不要因某一級(jí)的誤差過(guò)大影響整體誤差，也不要對(duì)某一級(jí)提出過(guò)于苛刻難以達(dá)到的要求。 A/D轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將原始的模擬信號(hào)（多數(shù)信

7、號(hào)屬于模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，首先需要選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)高意味著轉(zhuǎn)換分辨率高，能夠更好地辨識(shí)原始信號(hào)，其次要考慮轉(zhuǎn)換的速率，轉(zhuǎn)換速率快才能提高整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度，同時(shí)較快的轉(zhuǎn)換速率有利于系統(tǒng)保持對(duì)原始信號(hào)的跟蹤。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 如果希望在后續(xù)計(jì)算機(jī)處理中使用多次采樣取平均值之類的數(shù)據(jù)處理算法，更加希望采集系統(tǒng)有較快的采樣速度。但是A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換速率一般是一對(duì)矛盾的參數(shù)，也即較低的位數(shù)容易實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率，而較低的轉(zhuǎn)換速率容易達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換位數(shù)，因此需要綜合考慮兩者的關(guān)系，選取合適的A

8、/D轉(zhuǎn)換器，既想轉(zhuǎn)換位數(shù)高又想轉(zhuǎn)換速率快是很難達(dá)到的，或者要付出很大的代價(jià)，在性價(jià)比上并不適宜。 采樣/保持電路主要是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作，如果是A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部包括這部分電路，就無(wú)需進(jìn)行其他考慮，如果是需要外接配套，主要考慮的是選擇合適的控制邏輯，使采樣/保持電路的工作時(shí)序與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)應(yīng)，為了更好地做到這一點(diǎn)，往往采用同一控制邏輯控制采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的同步工作。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 放大電路將原始信號(hào)放大到適應(yīng)所選擇A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍之內(nèi)，但被放大的不僅有原始信號(hào)，還有各種噪聲、干擾、耦合信號(hào)等等，為了消除或減小這些因素的影響，

9、需要采用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行必要的處理，信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)常采用各類濾波器對(duì)這些影響因素進(jìn)行濾除，高頻干擾多就采用低通濾波器，低頻干擾多就采用高通濾波器，有效信號(hào)有明確的頻帶范圍可以采用帶通濾波，干擾信號(hào)的頻率很明確可以采用陷波電路，因此設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的關(guān)鍵是首先清楚原始信號(hào)的一些基本參數(shù)，其次了解主要的干擾源的特點(diǎn)，據(jù)此有的放矢地進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般對(duì)工作速度有一定的要求，信號(hào)調(diào)理電路有助于提高信號(hào)質(zhì)量，但也要注意不要對(duì)整體工作速度帶來(lái)太大影響，一般不宜采用過(guò)于復(fù)雜、低速的濾波電路。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段，心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10、是心電圖檢測(cè)儀的關(guān)鍵部件。人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05100Hz，幅度約為04mV。由于心電信號(hào)屬于低頻，微弱信號(hào)，而且干擾較大，因此，系統(tǒng)抗干擾能力及安全可靠性至關(guān)重要。另外心電信號(hào)中通?；祀s有各種生物電信號(hào)，加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場(chǎng)干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測(cè)量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢測(cè)出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào)，必須要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度，高穩(wěn)定性，高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲及強(qiáng)干擾能力等性能。 參考數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成框圖，硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖9.2 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖中信號(hào)調(diào)理部分專指50Hz及35Hz陷波電路

11、，濾除50Hz的工頻干擾和人體生物電產(chǎn)生的35 Hz肌電干擾。 心電信號(hào)由專用電極（電極放在人體各個(gè)部位，比如：心臟、左右手，頭部等部位）拾取后送入前置放大器初步放大，并在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電主要頻率范圍以外的干擾信號(hào)。 而主放大器可將帶通濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍后，再經(jīng)50Hz和35Hz陷波器分別濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號(hào)由模擬輸入端送入ADC，以進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換和最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)處理。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）信號(hào)放大電路 對(duì)于信號(hào)的放大，采用了兩級(jí)放大電路，其中包括前置放大和主放大電路

12、。在兩級(jí)放大電路之間又接入了一個(gè)帶通濾波電路以使心電信號(hào)主頻0.05Hz100Hz通過(guò)后再進(jìn)一步放大。前置放大約10倍，主放放大約100倍，所以總的放大約1000倍，從而得到合適的輸入8051單片機(jī)所要求的電壓范圍內(nèi)的心電信號(hào)。 采用兩級(jí)放大的原因： 由于心電信號(hào)相當(dāng)微弱，而干擾又特別強(qiáng)，所以有必要在初步放大時(shí)抑制一部分來(lái)自共模信號(hào)的工頻干擾，同時(shí)通過(guò)電路設(shè)計(jì)消除分布電容和克服電極帶來(lái)的極化電壓差值對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)也能提高共模抑制比，另外也能穩(wěn)定輸入信號(hào)。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初步放大后需要通過(guò)帶通濾波器選出心電信號(hào)的主頻（0.05100Hz），然后再對(duì)這個(gè)有用頻率范

13、圍的心電信號(hào)進(jìn)一步放大，則能有效地得到干凈的心電信號(hào)。 （a）前置放大電路： 主要是初步放大心電信號(hào)，并在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波電路，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào) 。 前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于人體心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能，設(shè)計(jì)時(shí)選用儀用放大器AD620作為前置放大器，采用差分放大電路。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) （b）帶通濾波電路：帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路OP

14、2177構(gòu)成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個(gè)運(yùn)放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由于心電信號(hào)頻帶主要集中在0.05100Hz左右，頻帶較寬，為此，采用OP2177的兩個(gè)運(yùn)放分別設(shè)計(jì)二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波器。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2) 信號(hào)調(diào)理電路 由于心電信號(hào)的特殊性（極其微弱），所以信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。信號(hào)調(diào)理采用50Hz及35Hz陷波電路，濾除50Hz的工頻干擾和人體生物電產(chǎn)生的35 Hz肌電干擾。 工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是

15、以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門(mén)濾除。常規(guī)有源陷波器的頻率特性對(duì)電路元件的參數(shù)比較敏感，因此難以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性不高。而開(kāi)關(guān)電容集成濾波器無(wú)需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時(shí)鐘頻率決定，且其頻率特性對(duì)時(shí)鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 凌特公司的LTC1068-50集成開(kāi)關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的二階開(kāi)關(guān)電容濾波器，時(shí)鐘與中心頻率之比為50：1，誤差為 0.3，可采用5V、5V供電。因此，配合廠家提供的

16、FilterCAD濾波器設(shè)計(jì)軟件，可靈活配置成各類濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較好地濾除工頻干擾，設(shè)計(jì)中利用LTC1068-50的優(yōu)點(diǎn)專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)8階巴特沃斯50H陷波器，采用的時(shí)鐘信號(hào)頻率為2.5KH。經(jīng)測(cè)試，陷波深度可達(dá)50B，可衰減100倍左右，效果比較理想。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3） 單片機(jī)電路 本系統(tǒng)采用了一個(gè)內(nèi)部含有12位A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)C8051F206。在此單片機(jī)內(nèi)部即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路。圖9.6所示是單片機(jī)與信號(hào)調(diào)理電路連接框圖。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 其中C8051F206是一種混合信號(hào)ISPFLASH微控制器，該芯片內(nèi)含與8051完全兼容的高速微控制器內(nèi)核、8K Flash、4字節(jié)寬的I/O端口、硬件UART和SPI總線、12位高精度ADC和多達(dá)32通道的模擬輸入多路選擇器。每一個(gè)I/O引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口，其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100k。這些特點(diǎn)使得C8051F206非常適合作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器。根據(jù)系統(tǒng)需要，可將其端口P1.0P1.7，P3.0P3.3配置成12路心電模擬信號(hào)的輸入端。此外，C80