现代仪器设计实训基于LabVIEW的虚拟电压表设计毕业论文.docx

武汉理工大学课程设计学 号： 0121204930097 课 程 设 计题 目现代仪器设计实训基于labview的虚拟电压表设计学 院机电工程学院专 业测控技术与仪器班 级测控1204班姓 名李敏指导教师刘清元2015年6月26日本科生课程设计成绩评定表姓 名王成洪性 别男专业、班级测控技术与仪器、测控1204班课程设计题目：基于labview的虚拟电压表设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：评 定 项 目评分成绩1具有认真严谨的学习态度，能通过文献查阅及应用，提出正确合理、可行性强的设计方案，有创新点。（20分）2能综合运用相关理论知识和数学工具，完成设计方案的理论分析、设计、计算，过程详细，结论正确。(30分)3按标准和规范绘制设计图纸，并能运用工具软件，完成设计的电路的仿真调试，结果正确。（30分）4能正确、清晰表达和交流设计内容（设计说明书、答辩），且设计说明书撰写规范。（20分） 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日课程设计任务书学生姓名：李敏 专业班级： 测控1204班 指导教师： 刘清元 工作单位： 机电工程学院测控系题 目: 基于labview的虚拟电压表设计初始条件：设计一个智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统，该系统以单片机和虚拟仪器技术为核心并具有如下功能：1）能对0-5v范围变化的模拟信号进行连续采样，并在pc机中进行实时显示，采样频率不低于10hz；2）具有数据记录功能，能够将采集到的数据以文件形式保存在pc机中；3）能对系统存在的随机误差和系统误差进行校正；4）系统具有自动量程选择功能，量程至少4档可调；5）具有自动电压监控功能，当采样值大于4v时，点亮报警指示灯。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 合理设计系统总体方案，并画出方框图；2. 正确选择a/d和pga，要求系统测量最大量程时，测量分辨率达到1mv以内，最小量程时测量分辨率达到1uv以内；3. 要求系统具有随机误差和系统误差校正功能，具有自动量程选择功能；4. pc机软件由labview或用c/c+编程实现，要求操作方便，界面美观；5. 设计说明书应详细说明设计思路、特点和电路工作原理；6. 用a3纸绘制软件流程图，流程图要模块化并具有可读性（即根据流程图知道程序功能的实现过程）；编制模块化源程序，注释不少于1/3;7. 硬件电路图应详细标明所采用元件的型号、连线的引脚编号，要求采用protel(protues)软件绘制硬件电路图；8. 设计说明书应包括课程设计任务、总体方案设计、详细硬件、详细软件设计、软件流程图、程序清单、元器件清单7个部分；9. 按照学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000左右）时间安排：序号阶段内容所用时间1布置课设任务，查阅资料 2天 2总体方案选择和设计2天 3a/d转换、单片机系统、串行通讯等单元设计4天 4labview软件设计4天5绘制电路原理图、撰写设计说明书2天6答辩1天合 计15天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1绪论11.1 设计目的11.2 初始条件22 方案论证及选择23 硬件部分33.1 89c52单片机33.1.1 芯片简介33.1.2 at89c52的管脚及引脚说明43.2 a/d转换电路63.2.1 ad7705芯片简介63.2.2 ad7705的管脚及引脚说明73.2.3 ad7705片内寄存器93.2.4 读/写时序143.3 pga放大电路143.3.1 pga202kp芯片简介143.3.2 pga202的管脚及引脚说明153.3.3 pga202kp接入说明153.4 模拟输入电压163.5 电源转换器163.5.1 电源转换模块morsun a051s-wr2简介163.5.2 morsun a051s-wr2的管脚及引脚说明164 硬件电路设计175 硬件电路实物焊接176 下位机软件程序设计187 上位机软件部分设计197.1关于visa函数197.2 vi程序设计208 matlab数据处理248.1 matlab程序代码248.2 matlab运行结果25总结26参考文献27附录 程序流程框图及程序清单附录 原理图附录 电压采集系统pcb图附录 元件清单武汉理工大学现代仪器设计与实训课程设计说明书1绪论1.1 设计目的随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，ni公司于八十年代中期就提出软件就是仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。它充分利用计算机系统强大的数据处理和显示能力，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合，实现传统仪器的各种功能，真正实现了“软件即仪器”的概念，用户可以方便地对仪器进行维护和扩展。智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统是采用数字化测量技术，把连续的量（输入电压）转换成不连续、离散的数字化形式并加以显示的系统。如今，数字电压表已绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一、精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高、速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。作为现代电子测量中最基础与核心的一种系统，对其测量精度和功能要求也越来越高。由于电压测量范围广，特别是在微电压、高电压及待测信号强弱相差极大情况下，既要保证弱信号测量精度又要兼顾强信号的测量范围，传统的手动转换量程的电压表在测量技术上有一定难度；同时，若量程选择不当，不但会造成测量精度下降甚至损坏仪表。基于此，本次课程设计提出具有16位分辨率以单片机作为测量的主控制器，采用a/d转换信号处理技术自适应调整放大器放大倍数实现全量程无档电压表的电路设计。 采用虚拟电压表，可将表征模拟电压特征的峰值、平均值和有效值集中显示在一块面板上，测量时用户仅通过面板指示值就能对测量结果进行分析比较，大大简化了测量步骤。本次课程设计中主要负责硬件电路的搭建和调试，上位机的编写，以及电路原理图和pcb的绘制。1.2 初始条件设计一个智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统，该系统以单片机和虚拟仪器技术为核心并具有如下功能：1）能对0-5v范围变化的模拟信号进行连续采样，并在pc机中进行实时显示，采样频率不低于10hz；2）具有数据记录功能，能够将采集到的数据以文件形式保存在pc机中；3）能对系统存在的随机误差和系统误差进行校正；4）系统具有自动量程选择功能，量程至少4档可调；5）具有自动电压监控功能，当采样值大于4v时，点亮报警指示灯。2 方案论证及选择智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。由此结合设计要求选择由单片机系统及数字芯片构建。本文设计的数字电压表测量直流电压范围为05v，最大量程时测量分辨率达到1mv以内，最小量程时测量分辨率达到1uv以内，能自动进行量程转换（设计分为05mv，5mv50mv，50mv0.5v，0.5v5v四个量程）。智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统的原理方框图如图2.1所示，其主要由输入电路、量程转换电路、a/d转换、主控单片机、labview软件显示与数据保存、matlab进行误差分析等部分构成。量程转换电路是根据前端提供的直压信号大小，单片机控制pga自动选择放大倍数，再通过a/d转换以后单片机进行采集信号处理方式来实现；主控单片机根据a/d转换的结果控制量程转换电路的自动实现，并将转换得到的数字量进行软件去极值平均滤波处理和系统模型校正法进行误差校正，再转换成电压模拟量经串口传送至labview上位机进行显示处理，最后用matlab对数据进行误差分析。系统基本框图如图2.1所示。图2.1系统基本方框图3 硬件部分3.1 89c52单片机3.1.1 芯片简介单片机选用的是atmel公司新推出的at89s52，如图2.3.1所示。该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用cmos工艺的8位单片机，与at89c51完全兼容。at89s52还有以下主要特点：8k字节flash，256字节ram，32位i/o口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89c52可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。复位寄存器(wdtrst)，只要对wdtrst按顺序先写入01eh，后写入0e1h，wdt便启动，当cpu由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，wdt即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。单片机主要用来对实现其他硬件的控制及通讯作用。3.1.2 at89c52的管脚及引脚说明at89c52的管脚排列如图3.1所示： 图3.1 at89c52的管脚排列at89c52各引脚说明如下：l vcc:电源电压l gnd:地l p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个ttl逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当p0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线用的形式。在这种模式下，p0口具有内部上拉电阻。在eprom编程时，p0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。l p1口：p1口是一带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p1口的输出缓冲能接受或输出 4个ttl逻辑门电路。当对p1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，p1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（iil）。l p2口：p2是一带有内部上拉电阻的8位双向的i/o端口。p2口的输出缓冲能驱动4个 ttl逻辑门电路当向p2口写时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（iil）。p2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时p2口送出高8位地址数据。在这种情况下，p2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时,p2口输出特殊功能寄存器的内容。当eprom编程或校验时，p2口同时接收高8位，地址和一些控制信号。l p3口：p3是一带有内部上拉电阻的8位双向的i/o端口。p3口的输出缓冲能驱动4个ttl逻辑门电路。当向p3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引6脚被外部信号拉低时会输出电流（iil）。p3口同时具有at89c51的多种特殊功能具体如表1所示:表1 p3 口的第二功能端口引脚第二功能p3.0rxd(串行输入口)p3.1txd(串行输出口)p3.2int0(外部中断0)p3.3int1(外部中断1)p3.4t0（定时器0）p3.5t1（定时器1）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器都选通）l rst:复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。l ale/prog:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的8 位字节当在flash编程时还可以作为编程脉冲输出（prog）。一般情况下，ale是以晶振频率的1/6输出可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。l psen：程序存储允许时外部程序存储。器的读选通信号。当at89c52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期psen两次有效，除了当访问外部数据存储，器时，psen将跳过两个信号。l ea/vpp:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器0000h到fffh单元的指令，ea必须同gnd相连接。需要主要的是，如果加密1被编程，复位时ea端会自动内部锁存当执行内部编程指令时ea应该接到vcc端。l xtal1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。l xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 3.2 a/d转换电路a/d转换器的转换精。精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用a/d转换器ad7705，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。我们选择的芯片型号是ad7705。3.2.1 ad7705芯片简介 ad7705是应用于低频测量的2通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。利用-转换技术实现了16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。ad7705只需2.73.3v或4.755.25v单电源。ad7705是双通道全差分模拟输入。当电源电压为5v、基准电压为2.5v时，器件可将输入信号范围从0+20mv到0+2.5v的信号进行处理。还可处理20mv2.5v的双极性输入信号，ad7705是以ain(-)输入端为参考点。当电源电压为3v、基准电压为1.225v时，可处理0+10mv到0+1.225v的单极性输入信号，它的双极性输入信号范围是10mv到1.225v。因此，ad7705可以实现2通道系统所有信号的调理和转换。ad7705是用于智能系统、微控制器系统和基于dsp系统的理想产品。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。cmos结构确保器件具有极低功耗，掉电模式减少等待时的功耗至20w（典型值）。ad7705采用16脚塑料双列直插（dip）封装。ad7705特点： ad7705：2个全差分输入通道的adc 可编程增益前端：增益：1128 三线串行接口：spi、qspi、microwire和dsp兼容 有对模拟输入缓冲的能力 2.73.3v或4.755.25v工作电压 3v电压时，最大功耗为1mw 等待电流的最大值为8ua 16脚dip封装3.2.2 ad7705的管脚及引脚说明ad7705的管脚排列如图3.2所示图3.2 ad7705管脚排列图ad7705各引脚说明如下：l sclk：串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问ad7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据。反之，它也可以是非连续时钟，将信息以小批型数据发送给ad7705。l mclkin：为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在mclkin和mclkout二引脚之间。此外，mclkin也可用cmos兼容的时钟驱动，而mclkout不连接。时钟频率的范围为500khz5mhzl mclkout：当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在mclkin和mclkout之间。如果在mclkin引脚处接上一个外部时钟，mclkout将提供一个反相时钟信号。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个cmos负载。如果用户不需要，mclkout可以通过时钟寄存器中的clkdis位关掉。这样，器件不会在mclkout脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率l cs：片选，低电平有效的逻辑输入，选择ad7705。将该引脚接为低电平，ad7705 能以三线接口模式运行（以sclk、din和dout与器件接口）。在串行总线上带有多个器件的系统中,可由cs对这些器件作出选择，或在与ad7705通信时，cs可用作帧同步信号l reset:复位输入。低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态l ain2(+)ain1:差分模拟输入通道2的正输入端。l ain1(+)ain2:差分模拟输入通道1的正输入端；l ain1(-)common:差分模拟输入通道1的负输入端；l refin(+):基准输入端。ad7705差分基准输入的正输入端。基准输入是差分的，并规定refin(+)必须大于refin(-)。refin(+)可以取vdd和gnd之间的任何值。l refin(-):基准输入端。ad差分基准输入的负输入端。refin(-)可以取vdd和gnd之间的任何值，且满足refin(+)大于refin(-)。l ain2(-)ain3:差分模拟输入通道2的负输入端。l :逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可从ad7705的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，引脚立即回到高电平。如果在两次输出更新之间，不发生数据读出，将在下一次输出更新前500tclkin时间返回高电平。当处于高电平时，不能进行读操作，以免数据寄存器中的数据正在被更新时进行读操作。当数据被更新后，又将返回低电平。也用来指示何时ad7705已经完成片内的校准序列l dout:串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通讯寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可容纳来自通讯寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息l din:串行数据输入端。向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。根据通讯寄存器中的寄存器选择位，输入移位寄存器中的数据被传送到设置寄存器、时钟寄存器或通讯寄存器l vdd: 电源电压+2.7v+5.25vl gnd: 内部电路的地电位基准点3.2.3 ad7705片内寄存器 ad7705片内包括8个寄存器，这些寄存器通过器件的串行口访问。第一个是通信寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。上电或复位后，器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。这一写到通信寄存器的数据决定下一次操作是读还是写，同时决定这次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。所以，写任何其它寄存器首先要写通信寄存器，然后才能写选定的寄存器。所有的寄存器（包括通信寄存器本身和输出数据寄存器）进行读操作之前，必须先写通信寄存器，然后才能读选定的寄存器。此外，通信寄存器还控制等待模式和通道选择，此外状态也可以从通信寄存器上读出。第2个寄存器是设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。第3个寄存器是时钟寄存器，包括滤波器选择位和时钟控制位。第4个寄存器是数据寄存器，器件输出的数据从这个寄存器读出。最后一个寄存器是校准寄存器，它存储通道校准数据。下面分别作详细说明。通信寄存器（rs2、rs1、rs0=0、0、0）通信寄存器是一个8位寄存器，既可以读出数据也可以把数据写进去，位定义如表2所示。所有与器件的通信必须从写该寄存器开始。写上去的数据决定下一次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。一旦在选定的寄存器上完成了下一次读操作或写操作，接口返回到通信寄存器接收一次写操作的状态。这是接口的默认状态，在上电或复位后，ad7705就处于这种默认状态等待对通信寄存器一次写操作。在接口序列丢失的情况下，如果在din高电平的写操作持续了足够长的时间（至少32个串行时钟周期），ad7705将会回到默认状态。表2 通信寄存器位定义l 0/ 对于写操作，必须有一个“0”被写到这位，以便通信寄存器上的写操作能够准确完成。如果“1”被写到这位，后续各位将不能写入该寄存器。它会停留在该位直到有一个“0”被写入该位。一旦有“0”写到0/位，以下的7位将被装载到通信寄存器。对于读操作，该位提供器件的标志。该位的状态与输出引脚的状态相同。l rs2-rs0 寄存器选择位。这3个位选择下次读/写操作在8个片内寄存器中的哪一个上发生，如表3所示（附寄存器大小）。当选定的寄存器完成了读/写操作后，器件返回到等待。表3 rs2-rs0 寄存器选择位功能表l r/w 读/写选择。这个位选择下次操作是对选定的寄存器读还是写。“0”表示下次操作是写，“1”表示下次操作是读。l stby 等待模式。此位上写“1”，则处于等待或掉电模式。在这种模式下，器件消 耗的电源电流仅为10a。在等待模式时，器件将保持它的校准系数和控制字信息。写“0”，器件处于正常工作模式。l chi-ch0 通道选择。这2个位选择一个通道以供数据转换或访问校准系数，如表4所示。器件内的3对校准寄存器用来存储校准系数。当ch1为逻辑1而ch0为逻辑0时，由表4可见对ad7705是ain1(-)输入脚在内部自己短路。这可以作为评估噪声性能的一种测试方法（无外部噪声源）。在这种模式下，ain1(-)/common输入端必须与一个器件允许的共模电压范围内的外部电压相连接。表4 ad7705的通道选择设置寄存器设置寄存器也是一个可读/写的8位寄存器，用于设置工作模式、校准方式和输入增益等。在通信寄存器选择后才能进行读写。设置寄存器的为定义见表5。表5 设置寄存器位定义l md1，md0：工作模式选择位，用于选择工作模式。如图3.3所示。l g2,g1,g0：增益选择位，设置pga的增益。l b/u 单极性/双极性工作。“0”表示选择双极性操作，“1”表示选择单极性工作。l buf 缓冲器控制。“0”表示片内缓冲器短路，缓冲器短路后，电源电流降低。此位处于高电平时，缓冲器与模拟输入串联，输入端允许处理高阻抗源。l fsync 滤波器同步。该位处于高电平时，数字滤波器的节点、滤波器控制逻辑和校准控制逻辑处于复位状态下，同时，模拟调制器也被控制在复位状态下。当处于低电平时，调制器和滤波器开始处理数据，并在3（1/输出更新速率）时间内（也就是滤器的稳定时间）产生一个有效字。fsync不影响数字接口，也不使输出复位（如果它是低电平） 。图3.3 工作模式选择时钟寄存器时钟寄存器是一个可以读/写数据的8位寄存器，用于设置有关ad7705运行频率参数和a/d转换输出更新输出速率。时钟寄存器的位定义如表6所示。表6 时钟寄存器l zero 必须在这些位上写零，以确保ad7705正确操作。否则，会导致器件的非指定操作。l clkdis 主时钟禁止位。逻辑“1”表示阻止主时钟在mclkout引脚上输出。禁止时，mclkout输出引脚处于低电平。这种特性使用户可以灵活地使用mclkout引脚，例如可将mclkout做为系统内其它器件的时钟源，也可关掉mclkout，使器件具有省电性能。当在mclkin上连一个外部主时钟，ad7705继续保持内部时钟，并在l clkdis 位有效时仍能进行正常转换。当在mclkin和mclkout之间接一个晶体振荡器或一个陶瓷谐振器，则当clkdis位有效时，ad7705时钟将会停止，也不进行模数转换。l clkdiv 时钟分频器位。clkdiv置为逻辑1时，mclkin引脚处的时钟频率在被 ad7705使用前进行2分频。例如，将clkdiv置为逻辑1，用户可以在mclkin和mclkout之间用一个4.9152mhz的晶体，而在器件内部用规定的2.4576mhz进行操作。clkdiv置为逻辑0，则mclkin引脚处的频率实际上就是器件内部的频率。l clk时钟位。clk位应根据ad7705的工作频率而设置。如果转换器的主时钟频率为2.4576mhz（clkdiv=0）或为4.9152mhz（clkdiv=1），clk应置“0”。如果器件的主时钟频率为1mhz（clkdiv=0或2mhz（clkdiv=1），则该位应置“1”。该位为给定的工作频率设置适当的标度电流，并且也（与fs1和fs0一起）选择器件的输出更新率。如果clk没有按照主时钟频率进行正确的设置，则ad7705的工作将不能达到指标。l fs1，fs2滤波器选择位，它与clk一起决定器件的输出更新率，在mclk in的时钟频率正确和clkdiv位的设置因为恰当的情况下，输出更新速率见表7。表7 fs1、fs0与clk决定的器件输出更新率clkfs1fs0输出更新率（hz）00020001250101000112001005010160110250111500数据寄存器16位只读寄存器，由两个8位的存储单元组成，用来存放最新的转换结果。输出时msb在前，如果接收微控制器需要lsb在前，如8051系列，则读取的时候应该分两次读，每次独处8位分别倒序，而不是16位倒序。其他寄存器其他寄存器主要包括：测试寄存器，用于测试；设置寄存起（零标度标准寄存器）和增益寄存器（满标度标准寄存器），它们用于存放标准数据。分析噪声和转换误差，成对使用，用户一般不使用。3.2.4 读/写时序图3.4所示为读/写数据周期时序图。din线用来向片内寄存器和传输数据，dout线用来读取寄存器里的数据。sclk为串行时钟输入端，所有的数据传输都和sclk信号有关。当与单片机连接时，为保证芯片数据转换可靠，在两次相邻的数据传输之间应该将sclk置为高电平。为状态信号，低电平时，表示转换结束，数据寄存器的数据准备就绪，单片机可以读取转换结果。如果在数据寄存器数据更新之前，变为高电平，则表示此时不能读数，避免在数据寄存器更新的过程中读出不可靠的数据。图3.4 读/写数据周期的时序图3.3 pga放大电路3.3.1 pga202kp芯片简介 pga202kp（以下称为pga202）是美国burr-brown公司生产的低价格、多用途的可编程增益放大器,可用两位ttl或cmos逻辑信号a1、a0对其增益进行数字选择，pga202的增益档级为1、10、100、1000v/v,最大增益误差为0.1%；电路芯片经激光校正,最大失调电压只有50v,失调温漂为0.25v/,增益g=1000时的共模抑制比为115db。pga202的电源供电电压为6v18v,输入偏流最大为2na,静态电流为5.2ma。芯片16脚塑料dip封装,工作温度范围为-45+86。高精度、低价格和通用性使得pga202广泛应用于医疗仪器及数据采集等各种系统中。3.3.2 pga202的管脚及引脚说明pga202kp的管脚排列如图3.5所示图3.5 pga202kp引脚图各引脚功能如下：l a0、a1：增益数字选择输入端，与ttl、cmos电平兼容，可以和任意单片机的i/o口直接相连，其增益选择以及增益误差见表l +vcc、-vcc：正负供电电源端l vref：参考电压输入端l filter a、filter b：输出滤波端l vos adjust:偏置调整端l +vin、-vin ：同相、反相输入端l vout sense：输出检测端l digital common：数字公公地端3.3.3 pga202kp接入说明 (1)pga202不需要任何外部调整原件就能可靠工作； (2)为了保证下过更好地工作，在正、负电源端连接一个1uf的旁路钽电容到模拟地，而且尽可能靠近放大器的电源引脚； (3)从精确性考虑，反馈端应该接到输出端； (4)由于11脚、4脚上的连线电阻都会引起增益误差，所以11脚、4脚的连线应该尽可能短。 3.4 模拟输入电压 输入电压，要有滑动变阻器要进行调节，能对0-5v范围变化的模拟信号进行连续采样，并在pc机中进行实时显示，采样频率不低于10hz。设计中采用10k的滑动变阻器来产生05v电压，如图3.6模拟输入电压电路图。图3.6 模拟输入电压电路图3.5 电源转换器3.5.1 电源转换模块morsun a051s-wr2简介morsun a051s-wr2是金升阳公司生产的小功率极性反转电源转换器，可持续短路保护，工作的温度范围为：-40+105，效率高达86，功率密度高，小型sip封装，隔离电压150vdc，无需外加原件。当输入电压为5v时，可以转换出15v供pga202kp使用。3.5.2 morsun a051s-wr2的管脚及引脚说明morsun a051s-wr2的管脚排列如图3.7所示图3.7 icl7660管脚排列图morsun a051s-wr2各引脚描述如表8所示表8 a051s-wr2引脚描述引脚号引脚符号功能描述1vin待转换电压输入2gnd接地4-vo-15v电压输出500输出端6+vo+15v电压输出 4 硬件电路设计电路由单片机控制电路部分，usb接口，输入模拟电压电路，pga放大电路，a/d转换电路还有morsun a051s-wr2电源转换器电路组成，每个部分我们都根据老师要求的精度和功能，进行了选择，也考虑了对该硬件部分的功能实现顺序，最终选择了该电路连接方法，组成了高精度的具有16位分辨率，以单片机作为测量的主控制器的智能化的虚拟电压采集系统，具体详见附件ii：电路原理图。5 硬件电路实物焊接 在做实物的过程中，以硬件电路图为基础，进一步进行实物焊接，通过焊接，我们可以进行实物仿真，从中发现问题，然后不断更改，再进行焊接。主要仪器：电源，剥线钳，数字万用表，通用版电路板，电烙铁，镊子，usb转串口线。使用电烙铁时注意不要手直接触摸。焊接实物如图5.1和图5.2所示。图5.1 电路板正面图5.2 电路板反面调试电路的方法和技巧： （1）目测 检查外部的各种元件或者是电路是否有断点，有无虚焊 （2）用万用表测试 先用万用表符合目测中有疑问的点，再检查各种电源线 与地线之间是否有短路现象 （3）加电检测 给板子加电，检测所有的插座或是器件的电源端的电压 是否符合要求的值（4）注意事项 在通电检查前，一定要确保电路板没有短路6 下位机软件程序设计量智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统的程序采用模块化设计，用c语言编写。程序由主程序、量程转换子程序、a/d转换子程序。流程图见图6.1。具体程序清单见附录i。图6.1 下位机自动量程转换程序框图7 上位机软件部分设计在软件部分，我们运用了labview软件，在软件中我们实行了visa字符串的读取，又运用字符串更改为数组类型接入pga放大系统，和写入部分。7.1关于visa函数由于在本次设计中需要用到串口通信，所以我们首先要对labview中与串口通信的相关函数有所了解。visa是vxiplug&play联盟制定的i/o接口软件标准及其规范的总称。visa提供用于仪器编程的标准i/o函数库，称为visa库。visa函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过它来控制仪器。作为通用i/o标准，visa提供了统一的设备资源管理、操作和使用机制，它独立于硬件设备、接口、操作系统和编程语言，具有与硬件结构无关的特点。7.2 vi程序设计labview虚拟仪器程序由前面板和框图程序组成,前面板是人机交互的界面,界面上有用户输入和显示输出两类控件;框图程序则是用户编制的程序源代码,以定义和控制在前面板上的控件输入和输出功能.在我们的设计中，电压经过硬件电路处理后，利用vi进行数据的显示，处理和判断。该设计前面板由账号密码登陆界面和电压测量主系统构成，账号密码的程序框图如图7.1所示，电压测量系统的前面板如图7.5和图7.6所示，在测量的过程中，用串口来发送和接收系统间的数据，如图7.2程序框图所示，进行了串口的基本配置，如图7.3程序框图所示，进行串口的读和写。数据保存到excel的程序框图如图7.4所示。图7.1 账号密码登陆程序框图图7.2 visa串口配置程序框图 图7.3 visa串口读写程序框图图7.4 数据保存到excel程序框图图7.5 伏值大于4v阈值的程序运行结果 图7.6 伏值小于4v阈值的程序运行结果 图7.7 保存文件数据截图8 matlab数据处理matlab一直是国际科学界应用和影响最广泛的软件工具，有着mathematica和maple无法比拟的优势和适用面。它不仅仅是一款数学软件，应用于微积分、概率统计、复变函数、线性变换、解方程、最优化、插值及数据显示等方面，也应用于模糊逻辑、小波分析、神经网络、图像处理、模式识别方面求解。另外数字信息处理、系统仿真、自动化、工程力学、信息与系统、模拟电路等方面都广泛的应用。测量技术是新科技革命的关键部分，科学技术的发展与实验测量密切相关。在进行实验测量时，产生误差是不可避免的。因此，必须借助误差理论，研究、估计和判断测量的数据和结果是否精确可靠，并采用正确的数据处理方法，以提高测量结果的精确程度。误差理论是我们认识客观规律的有力工具，是工程学科学生应该掌握的基础识。matlb具有强大的数据处理能力，若是借助matlb处理那些难以处理的数据，既可以节约时间，又可以提高精确度。所以本次课程设计应用matlab进行数据误差处理，对采集的数据的可靠性进行可一定的分析，对本次自动量程切换电压采集系统的稳定性进行了评估，并且本智能电压采集系统能够实时对保存在excel的电压数据进行分析。8.1 matlab程序代码%filename = data.csv;clc;clear all;a = csvread(c:usersasusdesktopdata.csv);b=a;n=length(b);c=b(1,n-20:n);aver=mean(c);variance=var(c);m=input