（材料加工工程专业论文）hp200高精度数据采集器的研究.pdf

，妣印 华中科技大学硕士学位论文 弋t 矧弛 摘要 。 该论文详尽地闸述j ，啊柑度数据聚集； 和数据聚集处理软件的 。 开发工作。该仪器采用a t m e l 公司的8 9 c 5 1 单片机作为处理器，f ：以 新型的模数转换器一a d 7 7 1 4 作为a d 转换器件，使数据采集精度达 剑0 0 1 f s 以l ：。仪器贝打且个通逝，小通道采集数抛时，速度i u 达 5 0 h z ，5 通道同时采集数据时，速度可达1 0 h z 。仪器侮个通道的输 入前端具有1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 八种增益可供选择，依据 不同的增蕊，锕个通道的i 【i 瓜测毋范f l i j 以从i ) 2 低1 9 m v 剑敲f ：2 5 v 独立设定。考虑到仪器外接热电阻测量的情况，我们还设计有供外部 使用的l m a 恒流源。该仪器通过r s 2 3 2 接【二l 与计算机连接进行数据 4 0 输，仪器j 计贸：机赴i u 7ei ：址完全啪离的，j j i i 灶j 仪器i ：作的稳定 性和安全性，文r l l f l i 者对自己所拟定的串行通讯协议也作了详细的说 一明。数据采集处理软件足在v b 环境下设计的，仪器内部的各项参数 都l l ln l 算机设胃，计算机也i u 以随i 卜f 改墩该仪器的符项参数。数州聚 集器采集的数据实时地传输到计算机，由计算机进行实时显示，分析， 存储，打印等。每文以设计一台高精度数据采集器的基本过程为线索， 华中科技大学硕士学位论文 分章节阐述丫研制过程【i j 从仪器的预研，功能规划，软、硬f ，i ：设计剑 仪器调试，最后研制出样品的全过程，最后对全文作了总结。序 关键字：数据采集高精点霹吖单片机a d 7 7 1 4串行通讯 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h er e s e a r c ho ft h eh i g hp r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o n d e v i c ea n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h e d i s p o s a l s o f t w a r eo fd a t a a c q u i s i t i o na r ee x p a t i a t e di nd e t a i l t h ei n s t r u m e n ta d o p t s8 9 c 5 1o f a t m e lc o a sm c ua n du s e st h en e w f a s h i o n e da d c a d 7 7 14a s a dc o n v e r t e r , w h i c hm a k et h ea c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o na c h i e v e o 0 1 f so rb e t t e r t h ei n s t r u m e n th a sf i v ec h a n n e l s ，a n dt h es p e e d c a nr e a c h5 0 h zw h e nc o l l e c t i n gw i t ho n l yo n ec h a n n e l ，a n dr e a c h 1 0 h zw h e n c o l l e c t i n gw i t h f i v ec h a n n e l s t h e r ea r e1 、2 、4 、8 、1 6 、 3 2 、6 4 、1 2 8 e i g h t s e l e c t a b l eg a i n sp r o v i d e da tt h ei n p u te n do f e v e r y c h a n n e li nt h ed e v i c e a c c o r d i n gt ot h eg a i n ，t h ev o l t a g ec a nb es e t i n d e p e n d e n t l yf r o mt h el o w e s t 19 m vt ot i l e h i g h e s t2 5 v t i l e 1m a c u r r e n ts o u r c ei s d e s i g n e di n t h ei n s t r u m e n tf o rt h e r m a l r e s i s t a n c e t e m p e r a t r u e m e a s u r e m e n t t h ed a t ai st r a n s m i t t e d t o c o m p u t e r c o m p u t e rb yi s o l a t e dr s - 2 3 2i n t e r f a c e t h ed e v i c ei se n t i r e l yi s o l a t e d f r o m c o m p u t e ra te l e c t r i c ，w h i c h r e i n f o r c e st h es t a b i l i z a t i o na n d s e c u r i t y o f w o r k i n g o nd e v i c e a u t h o r e x p l a i n s t h es e l f - d e f i n e d s e r i a l 。c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i nd e t a i li nt h e p a p e nt h ed i s p o s a l s o f t w a r eo fd a t a a c q u i s i t i o n i s d e v e l o p e dw i t h v b t h ep a r a m e t e r s e t t i n g o fi n n e rv a r i o u s p a r a m e t e r s o ft h ed e v i c ei sf i n i s h e d b y c o m p u t e r , a n dc o m p u t e rc a nr e a dt h ep a r a m e t e ro ft h ed e v i c ea ta n y m o m e n ta l s o r e a it i m ed a t ac o l l e c t e db yc o l l e c t o ra r et r a n s m i t t e dt o c o m p u t e ra n dt h e na r ed i s p l a y e d 、s t o r e da n dp r i n t e da n ds oo n i n t h i s p a p e r , c l u e i n g o i it h eb a s i c p r o c e d u r e o f d e s i g n i n g a h i g h 华中科技大学硕士学位论文 p r e c i s i o n d a t a c o l l e c t o r , a u t h o re x p a t i a t e s t h e p r o c e s s f r o m p r e - r e s e a r c h ，l a y o u t i n go ff u n c t i o n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i n g t od e b u g g i n g ，d e v e l o p i n g s a m p l e o fi n s t r u m e n t i nt h ee n d ，t h ew h o l e p a p e r i ss u m m a r i z e d k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o nh i g hp r e c i s i o ns c m a d 7 7 1 4 s e r i a ic o m m n n i c a t i o n v 华中科技大学硕士学位论文 1 绪亩 1 1 研制高糟度数据采集器的目的和意义 高精度的实现是数据采集器设计的一个重要研究方向，这类数据采集器对 数据的采集精度提出了更高的要求，而在数据采集速度上并未作较高要求。目 前市场上的很多数据采集器偏熏于速度，真难的商精度数据采集器并不多见。 而在目前的某些工业现场和实验室中，却很需要精度较商的数据采集器，因此 有必要设计出种高精度的数据采集器。 数据采集的般过程可以用l 餮 i - i 表示i 束t t a l o g g 啦! 一s e n s o r k e n v i r o n m e n td a t a c o m p u t e r p r o c e s s a n dg r a p h i cd i s p l a y 图l - i 数据采集的一般过程 实现智能控制是当前仪器仪表发展的主要趋势，而实现智能控制的关键就 是在仪器内部采用各种不同的微处理器及外围存储器和一蝗外围器件，接口部 件，通过对可编程器件写入程序，在卜电或打入命令以后，仪器就会f i 动的进行 j j ：作。这种仪器使用方便，操作简单，彳：需要配备专业技术人员。智能化仪器 仪表的一般表示如图卜2 m 。 圜l - 2 智能化仪器仪表简图 该仪器的设计目的就是要实现仪器的商精度和智能化，低成本，而且要使 华中科技大学硕士学位论文 仪器的用途较j “( 可以对温度、湿度、压力、电流、流景等数据进行采样) ，重 甓轻，便于携带，操作简单。 高精度数据采集器以其方便适用，性能优良，操作简单以及高度智能化的 特点可广泛用于大部分数据采集环境。比如在热加工行业，采集热加t 过程 巾的温度足项很承耍的一作，通过该仪器对温度进行监视钉助 ：保证j ”m i i ，的 质量；在造纸厂的纸浆车间里，经常需要i l ：c 视纸浆的流动速度，即进行流爨测 试，通过该仪器对流量进行监视有助于保证纸的质馕和节约成本；又如在矿下 作业中，使用高精度数据采集器可以方便地采集煤矿中的瓦斯浓度结禽远距 离数据传输，通过 ) c 机就可以起到环境监测和险情臀，占的作用。总之，配合各 种不同的传感器，高精度数据采集器可以对温度、湿度、压力、流鬣、速度等 不同的信号进行数据采集因此它可以广泛应用于环境气象腌测，海洋工程， 地动预报，石油锊j 趋二i ：程水文地质勘察以及闲防，i ：辆! 等领域。 另外从这类仪器的市场价格来看，国产仪器的价格相对较低( j l 下冗人民 币) 国外的价格昂贵( 两万到瓦万人民币) 。因此研制一种件能价格比较蹰的高 精度数据采集器也足件搬有意义的：亡作。 1 2 目前国内外数据采集器的发展现状 国外在数据采集器的研制方丽较为成熟些。比直美国恩黎克科学公司前 不久推出一种新一代的数据采集器e d l ( f 鱼i o n i t o rd a t a li n e ) ，该仪器技术先进， 功能齐全，并可以与恩泰克蹦软件e f m 窗口版的多种软件完全配套使用；美国 尼高力仪器技术公司的2 7 0 0 型数据采集器，完焚地将数据记录仪张挖丌必i 数字袭的优势集r 身是款高精度，多功能，使用方便的多路数据采集器。 美国p a c es c i o n t i f i c 公司生产的x r 4 4 0p o c k e tl o g g e r t m 具有体积小。测蠡范 围广( 可以对温度，相对湿度，压力，交流信号，光等的测j 霎 ) ，操作简瞥，可 靠性高等特点， ：配街有界嘶友好的计算机软件能够方便地进行数据处理和 圈形显示。 在国内由于技术的原因，在工业乍产中的测最以及在环境，火气镣的测 爨中，大多都是有针对性地去采集数据，因此设计的数抛采集器弩j l j 化程度比 较高不过其中也有部分公司相继推出了一系列同国外产品性能类似的数搬采 集器，它们各有各的特点。不过在撼个数据采集市场j 二，数据采集板或数据采 集卡依然是主流产品。它们的价格相对较低因此受到搬多对数据采集环境要 求不高的用广的欢迎在一些工业生产现场，如果需要采集的数据较多，数据 处理比较复杂，这就需要采用规模比较大的数据采集系统，这样的系统花费昂 贵，而且需要专业的技术人员。基于以e 原因，目前周内市场卜不断f | l 现各种 新型的数据采集器，北京飞特测控技术公司相继推出8 通道1 2 位1 - 3 m 转换速 度和1 3 m ( 8 位) 7 5 弧( 1 2 位) 的采集通过事的数据采集器它具有优异的直流和 2 华中科技大学硕士学位论文 交流性能，内带定i t , l i , 4 数器，程控采集频率，3 2 k 字f i f o ，支持连续采集存斑， 采集通道可扩展为1 2 0 个，精度为0 2 ，另有8 通道1 6 位2 5 0 k _ 采集器i i f f j t 选 择，此外还有8 位双通道i 0 0 1 1 数据采集器以及其他并行口采集器，i s a 总线采 集器。( 市场价格为9 0 0 0 r m b ) 。北京众人精密测控技术公司的产品是f - 5 1 0 0 系 列笔记本专用数据采集控制器具有程拧增益( 1 ，2 。4 ，8 ) ，通道扩展，0 2 的精 度锋特点，似分辨率都小超过1 2 位。( f 场价格为7 0 0 0 r m b ) 。北京康寨公词( 美 国技术支持) 新近推出了：1 ) w a v e b o o k 系列高速便携式数据采集器，它提供1 m h z 的实时采样8 通道差分输入可扩展至7 2 通道，可以对拯矗度，压力，流鬣， 应变，振动笛信弓的测最，精度为0 1 ，程控增菔为1 ，2 ，4 ，8 ，】6 ，分辨零 为1 2 位。2 ) d i 系列u s b 便携数据采集器提供1 6 位分辨率，2 0 0 k h z 的实时采样， 支持多种通讯方式( 标准并行口，e p p ，u s b ，e t h e r n e t ) ，最大数据传输速率可 达2 5 0 kb y t e s ) 精度为0 i 。3 ) d a q b o o k 系列并行口便携数据采集器提供1 2 位1 6 位分辨挈，0 1 的精度，1 0 0 k i i z 的实时粟样，提供1 6 单端8 差分输入， 可方便扩展至2 5 6 通道。( 市场价格分别为2 0 0 0 0 嗍，4 0 0 0 0 p 岫，4 5 0 0 0 r m b ) 总之，经过对国内外现有数据采集行n k 产- 铺的性能，价格和功能的了解 其概况如下： 1 ) 普遍的数据采集器的分辨率在1 6 位以下。1 2 ) 功能较全但价格较为昂贵 3 ) 体积较大，笨重，不便携带，或者需配笔记本电脑 4 ) 采用i , c i ) 盟示和键盘输入功能，一舫钉i ：! l j 功能 5 ) 采样频率较高从而采样精度相对较低( 0 2 ) 6 ) 前端可编狸增益控制范f 码较小( 般n ：1 6 僻以卜) 为此，本课题将针对以e 这些特点并加以比较，提出自己的设计方案，研制 山一种精度达到0 0 1 分辨率达到1 6 位，前端可编稗增益范围宽( 1 ，2 ，4 ，8 1 6 3 2 ，8 4 ，1 2 8 ) ，价格低廉，j 1 j 途较j 的岛轴度数戥采集t ； 。 l 3 课愿的提出 撤粥对【= i ；i 内外便携武数：l i i ：浆集 j 现状的j ) - i ) 7 乖lr 解，) f ：结合现自议铸年i i g j i 近推山的商性能芯片，以及通过与教研室指导老师的充分论证，一致认为：f j 必 要研制种高精度的数据采集器，该仪表应具有以下特色： 1 ) 通道敛：5 2 ) 采样周期l o 0 2 秒 3 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 信号输入范冈：+ _ _ 2 0 m v - 2 5 v ( 在此范用内增益自动切换) 4 ) 供电电源：a c ，1 6 5 2 6 5 v 5 ) 工作湿度；0 - 0 0 r i i 6 ) i ：作泓皮：2 06 0 c 7 ) 保存温度：一4 0 一8 0 8 ) 电源电流t 2 0 m a 9 ) 采集精度：0 0 1 1 0 ) 通讯接口：r s 一2 3 2 il ) p c 机显示方式。实时数据和图形显示 1 2 ) p c 系统平台：w i n d o w s 9 8 除了以上特点外，本课题还将对数据采集器作简单化处理，其设置基本上由 计算机完成。本课题研制的数据采集器将主要针对数据采集的高精度来进行方 案的实施，并从箍体上使仪器的性能得至优化。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 总体功能规划 所设计的高精度数据采集器的一个鲜明特点就是单片机系统与计算机软件 相结合，因此仪器的格个功能就是h 1 这两部分构成。数据采集器的指标和t 要 特点有，a d 转换器的位数，采样率，通道数，输入方式，通道增益，存储方式， 显示方式等。结合以上指标，本章简要阐述下该仪器的总的功能规划。 2 1 单片机部分 2 1 1 数据采集通道数 根据实际需耍，本课题决定设计5 通道的敬掘采傣器5 个通道可以邮独采 集爿i 阔的物理壁，也可以采集相同的物理量。选择l i l u l , 个通道进行采集是由用 广决定的，i h f 雨f 以任意选择1 、2 、3 、4 、5 个不同的通道进行采集。如果是 单独个通道聚集，就拔给定采攥用5 l i j 进行采集。蜘i 聚足：k 个通邀i i i l i l 、f 采集， 则按规定的采絮周期，粟j f j 通道功 煲的 1 i 施水实现。 2 1 2 数据采集的精度 数稍采集的精度足该仪器设计的荚键花周m j j f 敞，| l 施良亘，的情况卜，a d 转换器的分辨率稳定在1 6 位左右实测电压时该仪器最高可达到1uv 的精度。 在有定千扰的情况下，也能是所测电压稳定在l opv 左右。 2 1 3 采样周期 该仪器在单个通道采集时的采集周期最快可达2 0 毫秒，多个通道同时采集 时采集周期最快可达1 0 0 毫秒每通道。j 二述两种情况的最人采集周期1 1 1 计镩机 致定。采集剧期丝i 殳定，i 亥仪器就能在无人监守的情况卜按要求止常上你。 2 l 4 单片机系统与计算机相结合的特点 该数掘采集器觥 部分没钉 砹i , i + 简易键僦，没钉i 5 2 = t t qj i 天，u l 没，f r n ； - 单片机系统f ：设计数据显示功能和数据存储的功能，这些功能t l l l , l li ；t 算机完成 同时计算机还具有其他许多功能，这砦都能在后续章节提到一计算机强大的数 据存储功能和数据处理以及数摭分析功能是该仪器的e 硬特，囊 2 1 5 计算机对数据采集器的命令设置 讵如卜节所述该仪器没有设计住何键 ；c ，那么就必须i t i i ：t 锋机求实现 键盘功能。如_ 1 5 在数据采集嚣的一e l f 安置键盘，小但键盘的使j h 繁琐难以记 忆，而且整个系统将变得复杂；而用计算机软件来完成同样功能，就仪仪足点 5 华中科技大学硕士学位论文 几下鼠标这么简啦的事了。w i n d o w s 响应键盘和鼠标事件，然后发送各种命令到 单片机，而魄片机所要做的仅仅是保存这贱代表备种命令的二二进制代码，而后 在采集初始化阶段读出这些代码并识别这些代码。这样既简化了操作，又简化 了硬件系统。这些命令设置包括：波特率查询、波特率设定、模块设定( 采集 通道选择、增益设箴) 、模块调零、模块测试、模块查询、采集周期设戳、用 期单位设置等等。 2 1 6 敦据采集的电压范围 该仪器规定模拟输入前端电压为土2 0 m 7 到土2 5 伏。根据实际要求，该仪器 还可以配制成高输入阻抗和低输入阻抗两种模式，但在高输入阻抗模式下，模拟 输入前端电压降低为士2 0 m v 到1 2 5 伏“。 2 1 7 可编程增益的特点 该仪器允许用户根据实际电压大小自定义a d 转换器的增蔬。增益范围最火 可达1 2 8 倍，其含义就是指 d 转换器的满屉程i 乜爪可以为i f 常满最程电压的 1 1 2 8 。假如正常满量程电压为2 5 伏，则增益值为1 2 8 时，满量程仅为1 9 5 3 毫伏。在仪器所能达到的万分之的精度下，测量值最高可精确到l 微伏。需 要说明的是，增益越高，测最的电压范围越小。 2 2 计算机软件部分 2 2 1 命令设髓功能 正如上一节所讲，硬件部分的键盘功能都交给计算机软件完成，所有的命 令都由计算机通过串口通讯把用户的命令传输到单片机中的存储器里，以字节 或位的方式存放，不同的字节或位代表不同的命令。在计算机软件中这些命令 都是由用户对w i n d o w s 对l 霜框中控件的操作来完成的”1 。这螳命令包括波特举查 询、波特率设定、模块设定( 通道选择、增益设置) 、模块调零、模块测试、 模块查询、采集周期( 包括时问单位) 等。 2 2 2 数据接收、敛据显示、敛抛保存和数豁打日j 功能 单片机传输到计算机的数据由串行通讯协议保证无误地被计算机软件接收 并及时显示和保存，计算机对 二传的数据能够数据娃示。卜f 的数据达到定 蠡，计算机软件将其存放到硬盘上，数据可随时打) i 和关闭。另外数据能够以 表格的方式打印输出。 2 2 3 敦掘以罔形的方式妊示、保存和打印输l i i 的j 【! i 能 6 华中科技大学硕士学位论文 计算机对l ：传的数据除了能够以数据的形式显示外，还能够通过图形对动 态数据实时娃示( 动态鼹示) 以及对历史数据进行艟示( 静态艇示) 。川，、埘 显示的图形可以方便地改变大小、在线分析、随时保存、随时打印。 2 2 4 可移植性的特点 可移植性楚软件优劣的重要标志，该仪器的计算机软件的各功能模块都很 完整，各功能模块由公用变量或参数传递作为连接的接口。对于不同的数据采 集器，只要添加数据采集器的命令设鬣模块，就可以构成一套完善的数据采集 软什系统。 7 华中科技大学硕士学位论文 3 模数转换器基本原理 3 1 一a a d c 基本原理 一a a d c 以很低的采样分辨率( 1 位) 和很离的采样速率将模拟信号数字化， 通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对a d c 输出 进行采样抽取处理以降低有效采样速率。一a a d c 的电路结构是由非常简咩1 的 模拟电路( 个比较器、一个开关、个或几个积分器及模拟求和电路) 和卜分复 杂的数字信号处理电路构成”“。要了解z aa d c 的工作原理，必须熟悉过采 样、噪声整形、数字滤波和采样抽取等基本概念 3 1 j 过采样 a d c 是一种数字输出与模拟输入成正比的电路，图3 1 给出了理想3 位单极 性a d c 的转换特性，横坐标是输入电压u 。的相对值，纵坐标是经过采样罱化的 数字输d j 景，以：进制0 0 0 l ll 寝示。理想 d c 第位的变迂发生在音i l 当二j ： 1 2 l s b 的模拟电压值上，以后每隔1 l s b 都发生一次变迁，直至距离满度的l 2 l s b 。因为a d c 的模拟量输入可以是任何值，但数字输出是最化的，所以实际的 模拟输入与数字输出之问存在i 2 l s b 的景化误差。存交流采样虑用r i i ，这种屑 化误差会产生厦化噪声” 图3 一l 理想3 位 d c 转换特性 如果对理 i i la d c 加一恒定直流输入电压，那么多次采样得到的数字输出值总 是相同的。而且分辨率受量化误差的限制如果在这个直流输入信号上叠加一个 8 华中科技大学硕士学位论文 交流信号，并用比这交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字 输f l 值将是变化的，用这些采样结果的甲均值表示a d c 的转换结果便能得到比i j 同样a d c 高得多的采样分辨率，这种方法称作过采样( o v e r s a m p l i n g ) 1 1 1 i s 2 。如果 模拟输入电压本身就是交流信号，则不必另叠加一个交流信号。采用过采样方法 ( 采样频率远高于输入信号频率) 也同样可提高a d c 的分辨率。 由于过采样的采样速率高于输入信号最高频率的许多倍，这有利于简化抗混 叠滤波器的设计，提高信噪比并改善动态范围。可以用频域分析方法来讨论过采 样问题。由于直流信号转换具有的最化误差达1 2 1 s b ，所以数据采样系统具有最 化噪声。一个理想的常规n 位a d c 的采样量化噪声有效值为q 1 2 ，均匀分布在奈 奎斯特频带直流至f s 2 范围内，如图3 - 2 所示。其中q 为l s b 的权重，f s 为采 样速率，模拟低通滤波器将滤除f s 2 以j 二的噪声。如果用k f s 的采样速牢对输 入信号进行采样，奈奎斯特频率增至k f s 2 ，梭个最化噪声位于直流至k f s 2 之 间，其有效值降为原来的1 k ，如图3 3 所示。由于模拟低通滤波器只需滤除 k f s 2 以上的噪声，因此降低了对模拟低通滤波器的掩体要求。又【臼于系统的通 带频率仍为f a ，所以可在a d c 之后加一个数字低通滤波器滤除f a 至kf s 2 之间 的无用信号而又不影响有用信号，从而提高了信噪比，实现了用低分辨率a d c 达 到高分辨率的效果。如果简单地使用过采样方法使分辨率提高n 位，必须进行k = 2 “ 倍过采样。为使采样速率不超过一个合理的界限，需要对量化噪声的频谱进行褴 形使得人部分噪声位j j 二f s 2 至k f s 2 之间，丽仪仪一小部分留在直流至f s 2 内， 这芷是一a d c 中一调制器所起的作用。噪声频谱被调制器整形后，数字 滤波器可去除大部分量化噪声能量，使总信噪比( 以及动态范围) 大大增加“”。 图3 2 使用模拟低遇滤波器的奈查斯特采样为过采样倍率 9 华中科技大学硕士学位论文 3 i 2aa d c 的调制嚣和羹化噪声整形 图3 4 给出了一阶z 一h 1 ) c 的原理框图。虚线框内是一调制器，它以 k f s 采样速率将输入信号转换为由1 和0 构成的连续串行位流。i 位d a c 由串行 输出数据流驱动，i 位d a c 的输出以负反馈形式与输入信号求和。根据反馈控制 理论可知，如果反馈环路的增益足够人，d a c 输出的、f 均值( 串行位流) 接近输入 信号的平均值。 u 过采样之后) 图3 - 3 带模拟滤波和数宁滤波的过采样 罔3 - 4 阶x h 1 ) c , l o 华中科技大学硕士学位论文 由于积分器可以在频域内用一个幅度响应与l f 成正比的滤波器加以表示 ( 这爨f 是积分器输入信号频率) 。又由于带时钟的锁存比较器具有类似斩波器的 作用，它将输入信号转换为高频交流信号，在输入信号平均值附近变化，因而低 频下的鬃化噪声大大减少( 这个积分器对量化噪声如同一个高通滤波器) 。这种情 况f 产生噪声的频谱严格地依赖于采样速率、积分时间常数及电压反馈误差。用 圈3 - 5 所示频域线性化模型对z 一调制器可作进一步分析。其中积分器模拟一 个具有给定传递函数h ( f ) 的模拟滤波器，u ( f ) 表明其幅频响应特性与输入频率成 反比。量化器模拟放大器输出与量化噪声叠加。使用频域分析方法的一个优点是 可以利用代数式表示信号。输出信号y 可以表示为输入信号x 在求和点处与输出 信号相减，即( x - y ) ，并与模拟滤波器( 积分器) 的传递函数及放大器增益g 相乘， 然后再与量化噪声q 相加。如果增益g = l ，h ( f ) = l f ，则有y ：( x y ) f + q ，整理 得y = x ( f + 1 ) + ) f ( f + 1 ) 3 。 梗拟输入 x 图3 - 5 一调制器的频域线性化模型 由上式可以看出，当频率f 接近于零时，输出y 趋于x 并且无噪声分_ 最。当 频率增高时，x 项的值减小而噪声分最增加。对于高频输入。输f l m 谣足最化噪声 实际上，模拟滤波器对输入信号具有低通滤波作用，而对噪声分量具有商通 滤波作用，因此可将调制器的模拟滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器。一如 一般的模拟滤波嚣，滤波器的阶数越高其滤波性能越好。闪此商阶一a 啪制器 得到广泛应用。图3 咱给出了一调制器的信噪比与阶数和过采样倍率之间的 关系，其中s n r 为信噪比k 为过采样倍率。例如，当k = f i 4 ，一个理想的二阶系 统的信噪比大约8 0 d b 。分辨率大约相当于1 3 位的a d c 。 3 1 3 数字滤波和采样抽取 艺一调制器对繁化噪声攘形以后，将最化噪声移到所关心的频带以外，然后 对整形的蠼化噪声进行数宁滤波数f 滤波器的i f ：i t 钉两个：足棚对j ：墩终聚 样速率f s ，它必须起到抗混叠滤波器的作用：二：是它必须滤除一调制器在噪 声整形过程中产生的高频噪声。因为数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率 要低于原始采样速率，赢举满足奈务斯特定理。降低输i f i 数据速率的方法屈j m 过 对每输出m 个数据抽敬1 个的数字重采样方法实现的，这种方法称作输出速率降 华中科技大学硕士学位论文 为1 , 4 1 的采样抽取。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，它实际卜是去除 过剩辱黜融愀的夤笏拈弓册一种卿爱姗。 幽3 - 6 倍噪比与阶数和过采样倍牢之f n l 的犬系 数字滤波器既可用有限脉冲响应( f i r ) 滤波器也可用无限脉冲响应( i i r ) 滤 波器或者是两者的组合。f 1 r 滤波器具有容易设计、能与采样抽取过稗合) ：计钎、 稳定性好、典有线性相位特性等优点，但它盯能需要计算大量的系数。l j r 滤波 器由于使用了反馈环路从而提高滤波效率，但i l r 滤波器具有非线性特性，4 二能 与采样抽取过程合并计算，而且需要考虑稳定性和溢出等问题，所以应用起来比 较复杂。交流戍用场合火多数z 一 i 的采样 i i i j r 滤波器$ j 1 f i r 滤波器“。 3 1 4 一a d c 的闲音 大部分一a a d c 柱本底噪声巾l 1 现一蟪被称作“闲秆( d i c l o n e s ) ”的尖 峰，通常这些尖峰信号能量很小，不足以明显影响转换器的信噪比( s i n ) 。尽管 如此，但是在许多应用中，都不允许在自噪声本底以外很宽频谱范围内有尖峰存 在有两种闲音源，其中最常见的一种是由电压基准调制所引起的。这可通过调 捷电压基准来降低闲啬。另外，调制器的阶数也会影响f j 音火小。通常阶碉制 器的闲音较大，而从二阶起调制器的闲膏会逐渐减弱，所以实际的a d c 中 所用的调制器至少是二阶的，以便减小闲膏。 以上简要介宝f l 了z a a d c 的基本原理。在第三章中将详细讨论z 一a d c a d 7 7 1 4 的工作原理机器应用。 华中科技大学硕士学位论文 4 数据采集器的硬件设计 4 1 微处理器的选择 。4 i 1 单 机技术的发展特点 ， 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近2 0 年的发展路程。纵观2 0 年来 单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器( 胛u ) 技术及超大规模 集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个 性的发展趋势。 8 位、1 6 位、3 2 位单片机共同发展这是当前鹇片机技术发展的另动向。 长期以来，单片机技术的发展是以8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多 媒体技术等高科技产品进入家庭，3 2 位单片机应用得到了长足发展。以m o t o r o l a 6 8 k 为c p u 的3 2 位单片机9 7 年的销售量达8 千万枚。过去认为由于8 位单片机 功能越来越强。3 z 位机越来越便宜，使1 6 位单片机生存空问有限，耐1 6 位融| 机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。 单片机速度越来越快m p u 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率 越来越商为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声， 降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8 0 5 1 单片机兼 容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高 了很多，m o t o r o a 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度人 大高于时钟产生器的频率。6 8 h i c 0 8 单片机使用4 9 m 外部振荡器而内部时钟达 3 2 m ，而m 6 8 k 系列3 2 位单片机使用3 2 k 的外部振荡器频率内部时钟可达1 6 m h z 以上。 低电医与低功耗自8 0 年代中期以来，n m o s 工艺单片机逐渐被c m o s3 - 艺 代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3i im 工艺发展到1 5 、 1 2 、0 8 、0 5 、0 3 8 近而实现0 2um - e 艺，企静态 殳计使时钟频承从冉流到数 十兆任选，都使功耗不断下降。m o t o r o l a 最近推出任选的m c o r e 可在1 8 v 电 压下以5 0 m 4 8 m i p s 全速工作，功率约为2 0 m w 。几乎所有的单片机都有w a it 、s t o p 等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3 到 6 v 范围内工作对i 乜池供i 乜的单片机小辑i i | ；婴对电源采取稳雎措施。低i u 上k 供i u 的单片机电源下限已由2 7 v 降至2 2 v 、1 8 v 。o 9 v 供电的单片机已经问世。 低噪声与浅可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力。使产品能 适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。各单片机商家在单 片机内部电路中采取了一些薪的技术措麓如荧曩曩寒半导体的c o p 8 单片机 华中科技大学硕士学位论文 内部增加了抗e m i 电路。增强了“看门狗”的性能。m o t o r o l a 也推出了低噪声的 l n 系列单片机。 o t p 与掩膜o t p 是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成 熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而o t p 型单 片机价格不断下降，使得近年来直接使用( y r p 先成最终产舶制造更为流 j ：。它较 之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，o t p 型单片机需量大幅度上扬， 为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 。 未编程的o t p 芯片可采用裸片b o n d i n g 技术或表面贴技术。先焊在印刷板l ：，然 后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批员 写o t p 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使0 r p 的裸片得以广泛 使用，降低了产品的成本。编程线与 o 线共用，不增加单片机的额外引脚。i i ! 些生产厂商推山的单j 午机不有掩膜型，全 i l f 为订1 s p 功能的0 i p 。 4 1 2单片机的广泛选择 m o t o r o | a 堆片机m o t o r 0 1 a 是i i = 界一i ：最人的湃j 1 。机厂商。 种个、选择 余地大、新产品多是其特点，在8 位机方面有6 8 h c 0 5 和升级产品6 8 1 c 0 8 ，6 8 h c 0 5 有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过2 0 亿片。8 位增强型单片机6 8 1 1 c 1 1 也有三十多个品种，年产最在1 亿片以上。升级产品有6 8 t l c l 2 。1 6 位机6 8 1 1 c 1 6 也有1 多个晶种。3 2 位单片机的6 8 3 x 系列也有儿t 个矗矗种。近年来。以p o w e r p c 、 c o l d f i r e 、m c o r e 等为c p u 。将d s p 做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目 前仍是单片机的首选牌品。m o t o r o l a 单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟 频率较t r i t e | 类衅片机低很多。因而使得商频噪声低，抗二f 二扰能力强，更适合川 于工控领域及恶劣的环境。m o t o r o l a8 位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最 近推出o t p 计划以适应单片机发展新趋势，在3 2 位机上，m c o r e 在性能和功耗 方面都胜过a r m 7 。 m i c r o c h i p 单片机 m i c r o s h i p 单片机足市场份额增长最快的单片机。它 的主要产品是1 f i g 系列8 位单片机，c p u 采用r i s c 结构，仪3 3 条指令，运行速 度快且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。m i c r o s h i p 坼”机没 有掩膜产品，全部是o t p 器件，m i c r o s h i p 强调节约成本的最优化设计，适于用 最大，档次低、价格敏感的产品。 s c e n j x 单片机 s c o n i x 草片机l o 模块i 0 模块的集成1 j 辫l 余技术赴f l ! l 片机技术不可缺少的重要方面。除传统的i o 功能模块如并行i o 、u r t 、s p i 、 1 2 c 、 d 、p 哪、p l l 、咖。等，新的i o 模块不断出现，如u s b 、c a n 、t 1 8 5 0 ， 最具代表性的是m o t o r o l a3 2 位单片机，它集成了包括各种通讯协议希；内的i o 模块，丽s c e n i x 单片机在i 0 模块的处理上弓i 入了虚拟i o 的新概念。s c o n i x 采用了r i s c 结构的c p t ，使c p u 最尚工作频事达6 伽如运算速度接近5 0m i p s 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 有了强有力的c p u ，各种i o 功能便可以用软件的办法模拟。单片机的封装采用 2 0 2 8 引脚。公司提供再种l o 的席函数，用于实现各利tt o 模块的功能。这砦 用软件完成的模块包括多路u a r t 、多路a 9 、p w m 、s p i 、d t m f 、f s k 、l c d 驱动等， 这些都是通常用硬件实现起来也相当复杂的模块。 n e c 单片机n e c 单片机自成体系，以8 位单片机7 8 k 系列产量最高，也 有1 6 位、3 2 位单片机。1 6 位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。 有的单片机采用内置操作系统。 东芝单j 机东= 芝= 坼片机的特点足从4 位机到6 4 位机fj 类齐全。4 位机在 家电领域仍有较大的市场。8 位机主要有8 7 0 系列、9 0 系列等，该类单片机允许 使用慢模式，采用3 2 k 时钟时功耗降至l o i la 数最级。c p u 内部多组寄存器的使 用使得中断响应与处理更加快捷。东芝的3 2 能竹片机采丌jm i p s3 0 0 0 ai t i s c 的c p u 结构，谭i 向v c d 、数字相机、图象处理等市场。 寓士通单片机富士通i 乜有8 位、1 6 位和3 2 位帆片机，但8 位机使j | j 的 足1 6 位机的c p u 内核。也就足说8 亿机与1 6 机所j i j 的指令丰同，使彳j ：i ) l ：发比较 容易。8 位单片机有著名的m b 8 9 0 0 系列，1 6 位机有m b 9 0 系列。 e p s o n 单片机e p s o n 公司以擅长制造液晶显示器著称，故e p s o n 单片机 ：e 要为该公司生产的l c d 配套。其单片机的特点避l c d 驱动部分做得特别好。住 低电压、低功耗方面也很有特点。目前0 9 v 供电的单片机已经上市，不久的将 来，l c d 显示的手表类单片机将使用0 5 v 供电。 8 0 5 1 类单片机最早由i n t e l 公司推出的8 0 5 1 3 l 类单j ；机也是世界上川 量最大的几种单片机之一由于i n t e l 公司在嵌入式应用方面将重点放在1 8 6 、 3 8 6 、奔腾等与p c 类兼容的高档芯片的开发上，8 0 5 1 类单片机主要由p h i li p s 、 三星、华邦等公司接产。这砦公司都在保持与8 0 5 1 单j l 兼容的攮础【二改蒋了 8 0 5 1 许多特性( 如时序特性) 。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的 动态范围，降低了产品价格。 z il o g 单， 帆 z 8 啦片机足z j l ( ，g 公司的产舳，采j l j 多累力器结构，竹较 强的中断处理能力。产品为o t p 型，z 8 单片机的开发工具可称价廉物美。z 8 单 片机以低价位的优势面向低端应用。以1 8 引脚封装为主，r o m 为0 5 2 k 。最近 z il o g 公司又推出了7 - 8 6 系列单片机，该系列内部可集成廉价的d s p 单元。 n s 单片机c o p 8 单片机是美国圉家半导体公司的产品，该公司以生产先 进的模拟电路著称能生产高水平的数字模拟混合电路。c o p 8 单片机片内集成了 1 6 位 d ，这是单片机中不多见的c o p 8 敢片机内部使用了抗跚fr b 路神：行门 狗电路以及s t o p 方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处