多路数据采集系统的设计

1、多路数据采集系统的设计刘晓波 张丕状 王晓升(中北大学 电子测试技术国家重点实验室 山西 太原)摘要：本文采用MSP430F149单片机作为控制器的核心器件，设计了一种通用的多路数据采集系统，可以通过USB接口对数据进行快速传输。该采集系统是由传感器、信号调理、数据采集硬件、通用计算机、软件等要素构成。为了满足系统要求，硬件采用模块化、开放性设计，由软件来配置、控制。它具有8通道模拟量输入、8通道开关量输入/输出、日历时间等功能。整个系统由微处理器、日历时钟芯片、增益放大器、中文液晶显示、大容量存储器、USB等器件组成。关键词：数据采集，USB接口，单片机，A/D转换中图分类号：TN702 文

2、献标识码：BDesign on multi-channel data acquisition systemXiaobo Liu， Pizhuang Zhang，Xiaosheng Wang ( National Key laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China ,Taiyuan ,China)Abstract: This paper use the single-chip MSP430F149 as the core device of the controller to design

3、 a generic multi-channel data acquisition system, it can transmit data rapidly via the USB interface. The acquisition system is composed of sensors, signal conditioning, data acquisition hardware, general-purpose computers, software and other elements. In order to meet the system requirements, the h

4、ardware is designed modularly and openly under the configuration and control by software. It has some functions such as 8-channel analog input, 8-channel digital input / output, calendar time and so on. The system consists of a microprocessor, a calendar clock chip, gain amplifier, Chinese liquid cr

5、ystal display, large-capacity memory, USB devices.Key words: data acquisition, USB interface, microprocessor，A/D convert0 引言随着现代电子技术的飞速发展，数据采集技术也日新月异，采集速度和精度不断提高，而功耗和体积却在不断下降，特别是小型化、便携式解决方案在数据采集中开始占据越来越大的比重，并越来越多地倾向于低电压、低功耗、微型化设计，广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。因此，根据当前数据采集发展的实际情况，研制开发符合生产需要的多功能智能化的数据采集器具有

6、现实意义。本文采取了软件与硬件相结合的开发方法设计8路数据采集器，整个系统采用电池供电，具有体积小、功耗低、可靠性高、即插即用等特点，非常适合于野外数据采集；也可以采用稳压电源，在工业控制领域进行实时采集监控。系统具有很好的实用价值和推广价值。1 系统方案整个硬件系统主要由传感器、放大电路、多路开关、采样/保持器、AD转换器、按键、存储、时钟、USB、I/O扩展、单片机等部分组成。其中采样/保持器、AD转换器及单片机是使用MSP430F149来实现的。系统主要完成的功能有：对微弱信号的放大、滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成AD转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD转换、数据

7、存储、数据收发等，其中单片机与PC的通信采用USB标准,如图1.1所示。图1.1 整体硬件系统框图2硬件电路的设计 数据采集系统由多路开关、放大电路、AD转换电路、单片机、时钟、存储、USB等部分组成。2.1 低通滤波电路在设计含有ADC的系统时，必须在转换器前使用一个抗混叠滤波器，以提高数据转换系统的性能指标，选用TI公司的THS4052。它是一种70MHz低成本高速电压反馈放大器。工作电压可设为士5V，失真度、转换速率、稳定时间都能满足要求。低通电路设计为12dB/OCT的巴特沃次(最平坦特性)滤波器，对频率高于31.25KHz的信号滤波。电路截止频率为fL=1/2 R1C1=31.25K

8、Hz，Q值为0.5。一片THS4052内是双通道输入，因此8路模拟信号通道输入需要4片THS4O52构成8个低通滤波器，滤波实际电路连接如图2.1所示。图2.1 滤波实际电路2.2 放大电路测量放大电路应是一种高输入阻抗、高电压放大倍数、高信噪比、低零点漂移的放大电路。记忆电容采用温度漂移最小的高阻抗金属聚脂电容Ca = Cb = 0.1f 。输出端连接RC(R = 100K ,C = 1f ) 低通滤波器,有效滤除微小的尖峰脉冲。为进一步保证放大电路的精度,两比例电阻应选用温度系数较小的精密电阻, 其阻值( R2 和R1 ) 应在0.01 %的误差范围内1。放大具体电路如图2.2，其中R1为

9、1K，R2为150K，放大倍数A=R2/R1=150。图2.2 放大电路2.3 通道切换电路本设计对8路模拟信号采用分时采集，共用一个ADC，各路之间是通过模拟开关进行切换，使用的器件少，成本低，简化制作PCB板和布线过程。如图2.3所示，输入通道的切换是通过采用高速八选一模拟开关74HC4051实现的。74HC4051相当于一个单刀八掷开关，输入8路信号X0X7。每次X0X7中只有一路输入信号送到输出端X。EN是使能端，当EN=1时，各通道均不接通。所以EN接地。此外，74HC4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，不使用时接地2。图2.3 通道切换电路2.4 存储接口电路

10、本设计选择了带有I2C的EEPROM系列存储24LC256，当然，也可根据实际需要而定，具体应用电路如图2.4所示。SDA串行数据引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入/输出器件，该引脚为漏极开路。因此，SDA总线要求在该引脚与VCC之间接入上拉电阻。SCL串行时钟，该引脚用于数据传输同步。WP写保护引脚，该引脚连接在Vcc上，写操作被禁止，但读操作不受影响。图2.4 存储电路2.5 时钟日历接口电路PCF8583的I2C特性总线接口操作电压：2.56.0V，时钟操作电压：1.06.0V(070)；2408位低电压RAM；数据保持电压：1.06.0V；操作电流（fSCL=0Hz）：最大50mA；

11、通用定时器，带有报警和溢出指示；24或12小时格式；32.768KHz或50Hz时间基准；串行输入/输出总线（I2C）；可编程报警、定时、中断功能；OSCI为振荡器输入，OSCO为振荡器输出。SDA是串行数据I/O，SCL串行时钟输入。PCF8583应用电路如图2.5所示。图2.5 日历时钟电路2.6 液晶显示接口电路液晶显示选用在3V电压下工作的自带控制器的点阵式液晶图形显示模块MOBI2007，采用串行接口，节省了I/O口，其中V0、V1、V2、V3、V4、Vss这些电压的值取决于用于LCD点阵的阻抗转换运放，它们关系为：V0V1V2V3V4Vss，只有当液晶被驱动工作以后才有上述关系，此

12、时可以调节V0为25倍的电源电压，其取值决定于LCD的偏压，由内部电阻Rb与Ra之比，所以可以通过测量Vo值就可以知道液晶是否被驱动起来。液晶接口电路如图2.6所示，图2.6液晶显示电路2.7 MSP430F149电路设计本设计采用了MSP430F149单片机，其CPU设计成适合各种应用的16位结构。它采用“冯-纽曼结构”，MSP430F149电路主要包括晶振、复位、JTAG及报警电路，如图2.7所示。图2.7 MSP430单片机电路图2.8 USB电路设计USB接口是本数据采集系统的核心之一，选择合适的芯片是关键。目前可供选择的USB控制器主要有两种，即带USB接口的单片机和专用USB总线接

13、口芯片。PDIUSBDI2 是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的DMA传输。PDIUSBD12看起来就像一个带8位数据总线和一个地址位，占用2个位置的存储器件。PDIUSBD12支持多元和非多元的地址和数据总线，还支持主端点与本地共享，RAM之间直接读取，DMA传输支持单周期和突发模式的DMA传输3。PDIUSBD12具体电路如图2.8所示。图2.8 PDIUSBD12具体电路3软件部分软件部分控制数据处理，当数据过来以后，由A/D转换程序控制进行A/D转换，既可以交于液晶处理显示也可以通过存储程序将数据保存起来，如需将

14、数据上传再通过USB传输程序控制进行数据传输，如图3.1所示。图3.1 整体软件系统框图程序流程图如图3.2所示。图3.2 A/D程序流程图4 结束语随着科学技术的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对数据采集的主要技术指标，如采样速率、分辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面，都提出了越来越高的要求。本文详细介绍了数据采集系统的解决方案、组成结构及其特性。选用MSP430F149新型16位低功耗单片机，系统不仅实现了对8路模拟量的采集，分辨率12位，最快采集速度达到200Kpbs，而且还实现了对8路开关量输入的采集、8路开关量控制输出。系统采用中文液晶显示采集的多路数据，操作方便，界面美观，并且采集的数据可通过USB的方式将数据上传回计算机，