基于ARM的高速高精度数据采集系统设计毕业设计论文

1、基于arm的高速高精度数据采集系统设计 摘 要近年来，随着计算机技术、电子技术等技术的发展，如何对数据进行采集和处理显得越发重要，数据采集的速度和精度是数据采集系统发展的两个主要方向。单片机、arm、dsp 等各种微处理器的广泛应用，为数据采集系统提供了一个有效的平台。对信号进行高速和高精度的采集以及对采集数据处理的研究和设计是本课题的主要任务。本文基于arm7s3c44b0x处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统，利用arm7s3c44b0x丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。本文介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型尤其是

2、模数转换芯片ad7663的接口电路。将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。并提供了原理图和总体电路图，并编写了程序代码，最后提出了关于高速高精度数据采集系统设计的观点。该系统具有成本低、功耗低、识别性能强及智能程度高等优点，具有较为广阔的应用前景。关键词：arm，s3c44b0x，数据采集系统，ad7663the design of high speed and high precision data acquisitionsystem based on armabstractin recent years, with computer technology, electronic

3、 technology and technologydevelopment, how to collect and process the data becomes more important. the speed and accuracy of data collection are the two main directions of the data acquisition system. mcu, arm, dsp and other microprocessors are widely used provides an effective platform for data acq

4、uisition system. high speed and high precision signal acquisition as well as the research and design of collected data is the main task of this project.based on the arm7s3c44b0x this paper introduces the design and implement of a high speed，high accuracy，multiple channel data acquisition system. usi

5、ng rich function interface and higher operating frequency of s3c44b0x achieves signal acquisition and data processing functions. this article describes the research status and development trend of the data acquisition system, selects the main chips of the system and the ad7663 analog digital convert

6、er. according to the modular idea, the system is divided several functional units and analyzes each functional module and provides a schematic diagram and general diagram .some point of view to the design of the high accuracy data acquisition system was put forward at the end of this article.the sys

7、tem has low cost, low power consumption, recognition performance is strong and intelligent degree in higher advantages, which has relatively broad application prospects.key words: arm,s3c44b0x,data acquisition system,ad7663毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，

8、除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：

9、日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和

10、汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2

11、、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良

12、中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中

13、 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目录前言1第1章 绪论31.1 课

14、题的背景及研究意义31.2 国内外研究现状和发展趋势41.3 论文的主要内容5第2章 数据采集系统的总体设计72.1 数据采集的相关原理72.1.1 数据采集系统基本构成72.1.2 数据采样原理82.2 多路数据采集系统的总体方案92.2.1 数据采集系统设计目标92.2.2 系统的整体设计9第3章 数据采集模块的硬件设计与实现133.1 多路开关及信号调理模块设计133.1.1 信号调理模块133.1.2 多路开关的选择143.2 模数转换模块153.2.1 信号驱动放大器信息153.2.2 基准电压源adr421163.2.3 模数转换芯片的选择163.2.4 模数转换芯片ad7663介

15、绍193.3 存储模块设计203.3.1 存储模块电路设计203.3.2 硬件和存储器设置233.4 键盘模块设计233.4.1 键盘线路模块设计243.4.2 寄存器的设置243.5 显示模块的设计253.5.1 lcd接口电路的设计253.5.2 lcd控制寄存器的设置273.6 时钟电路的设计283.7 arm处理器的选择293.7.1 s3c44b0x的结构介绍293.7.2 s3c44b0x芯片介绍303.7.3 s3c44b0x芯片引脚介绍31第四章 数据采集系统的软件设计364.1 主程序流程364.2 数据转换程序394.3 键盘程序扫描程序41结论45谢 辞46参考文献47附

16、录49外文资料翻译55前言随着数字化时代的来临，数字信号的处理技术已经渗透到人们生活的方方面面，化工、医学、工业及科研等各个领域中，都必须对相应的信号进行检测与处理。人们通常根据采样定理将传感器传送来的模拟信号转换成数字信号，再对这些数字信号进行处理。数据采集可以说是数字信号处理的核心，数据采集的好坏将直接影响未来的工作。数据采集的目的在于测量电气信号或物理量，如电压、温度、压力、流量、液位等。一个完整的数据采集系统应当包括信号、传感器或执行机构、信号调理、数据采集设备和软件等部分。社会的发展和科技的进步使信号处理系统的智能性越来越强，实时性越来越好，数据采集的精度和速度也越来越高，对数据采集

17、系统提出了更高的要求。除了基本数据采集的功能外，还必须针对不同行业领域、不同的现场环境实现多种工作模式、多种量程范围、多种控制方法、多种数据传送和显示方式以及实时时钟的功能等，因此，数据采集仪器仪表的种类繁多，更新的速度越来越快。通用的数据采集系统不能满足专门的场合，这就迫使许多公司开发出各种专用的数据采集系统。近年来，嵌入式系统在通讯、工业控制等领域的应用，使嵌入式技术得到了极大的发展。以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统叫做嵌入式系统。嵌入式微处理器的功能越来越强大，可以满足大部分数据采集的要求，为了便于开发

18、，有些微处理器还集成了ad和da单元。一些微处理器还集成了多种通讯接口和寄存器，可以根据不同的场合进行扩展。目前嵌入式应用技术是科研人员开发的热点和重点之一。本文设计了基于arm7s3c44b0x处理器的一种高速、高精度、多通道数据采集系统，利用arm7s3c44b0x丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。并介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型。根据模块化的思想，将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。其中对五个模块的电路设计予以详细的分析介绍。随后文章详细分析了系统的硬件设计，并提供了原理图和总体电路图，同时编写了程

19、序。最后提出了关于高速高精度数据采集系统设计的观点。第1章 绪论1.1 课题的背景及研究意义随着工业技术的发展，数据采集装置具有越来越广泛的应用领域。在工业生产过程中，受产品质量、生产成本等多方面因素影响，通常需要对工业现场的一些参数进行监控。数据采集装置是解决这一问题的有效手段。在科学研究中，应用数据采集装置可获得被测对象的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具, 也是获取科学奥秘的重要段之一。在生产实践中，为了得到我们需要的数据，通常需要将一些由传感器输出的模拟信号转换成数字信号。再通过计算机或者处理系统进行相应的处理。这种过程即被称为数据采集。数据采集装置在各个领域被广泛应用，己渗透到了

20、工业现场、地质勘测、医药器械、电子通信、航空航天等各个领域，为人类更好的获取各种信息提供了便利的条件1。传统的数据采集装置，都是针对特定的要求研制开发的，应用范围窄。对于新的需求，数据采集装置需要进行重新设计，浪费了时间和精力。同时数据采集的高精度特性越来越受到重视，在航空航天、导航系统、环境监测等很多领域都需要应用高精度的数据采集装置。因此设计一款通用的高精度数据采集装置就显得尤为重要。网络化技术是数据采集发展的另一个重要技术。随着工业技术的飞速发展，要求测试和处理的信息量越来越大，而且被测对象的空间位置分散，测试任务复杂，测试系统庞大，测试单元数量多，各个测试单元与主控计算机的数据交换量越

21、来越大。同时由于工业现场的恶劣条件，远程监控显得越来越重要随着这些重要行业对自动化，可靠性要求的提高，传感器技术的长足发展，信号处理和信息分析技术的提高，对于被采集后的数据的精确性要求也随之提高。因此数据采集装置网络化和远程化的要求也越来越受到重视。综上可知，研究通用化高精度数据采集技术和网络技术，可以有效提高生产管理的自动化水平，对于提高我国劳动生产率和推动经济发展具有非常重要的意义2。1.2 国内外研究现状和发展趋势上个世纪50年代，数据采集装置开始出现。以美国研制的数据采集测试系统为代表，该系统主要应用于军事领域。目的是数据采集装置使用中不依靠相关的测试文件，可以由对该数据采集装置不是十

22、分熟悉的人员进行操作。装置灵活性好，并且可以自动规划完成采集任务。同时使得很多应用传统方法无法完成的采集任务得以解决，从而获得了初步的认可。上世纪80年代，随着计算机的普及，开始出现通用的数据采集装置，这个时期的数据采集装置主要由采集器、接口总线和控制计算机组成。所使用的接口总线以gpib为主要代表。80年代后期，数据采集装置主要由工控机、单片机和集成电路组成。将部分硬件由软件代替，降低了成本和体积，而性能大大增加。上世纪90年代后，发达国家的数据采集技术已经广泛应用于军事、航空航天和工业领域。随着集成电路技术的发展，出现了高性能的单片数据采集系统（das）。das的分辨率可达16位，采样速度

23、达每秒几十万次。数据采集技术成为一门技术。这个时期的数据采集装置采用模块化结构，接口总线分为并行总线和串行总线。并行总线的代表为vxi和pxi，适用于本地数据采集，多应用于军事领域。串行总线以rs-485和现场总线can 为代表，适用于远程工业控制领域，但这两种数据采集装置均存在数据吞吐率低的缺点3。改革开放后，随着计算机技术、测量与控制技术、通信技术及电子技术的飞速发展，国内数据采集装置有了很大发展。国内市场上出现了种类繁多的数据采集装置。典型代表有单通道数据采集装置sp201和sc247系列，双通道数据采集装置eg3300和ye5938系列，小型数据采集装置902和921系列，温度、压力数

24、据采集装置smc-9012系列，大型多通道数据采集系统em3000等。生产厂家会为这些系统配备专用的软件包。这些软件包可以完成对设备的维修管理和基本频谱分析。应用它们可以解决数据采集装置的常见故障诊断和基本状态监测。经过近年来在工业现场的不断应用，数据采集装置质量优良，工作稳定可靠，基本上已达到国外数据采集器的中期水平。这些数据采集装置的主控 cpu主要采用单片机或dsp，通信总线主要为pci总线或isa总线。现在具有代表性的数据采集装置基本上以数据采集卡为核心。pci卡占据了数据采集卡的绝大部分市场。这种数据采集卡需要插在 pc机的pci插槽上，所以需要将被测信号从工业现场传给pc机，进而由

25、pc机控制数据采集任务。但是工业现场环境较为复杂，工业现场到 pc 机的距离通常很长。正是这一制约因素，使得信号在传输过程中会出现各种问题。例如信号被衰减，有干扰信号混入，或者产生失真等等，导致最终采集到的信号误差很大。为了解决这一致命的缺点，数据采集装置开始使用现场总线技术，如 can、rs-485等总线，数据采集装置在工业现场采集数据并通过现场总线将数据传输到远程pc 机处理，这种数据采集装置的优点是可以远程传输，但较低的传输速度限制了此类数据采集装置的应用领域4。进入21世纪，以internet 为代表网络通信技术发展和应用取得了前所未有的突破，数据采集的网络传输技术随着internet

26、技术的发展取得了一定的成果。网络化的数据采集优势体现在：采集范围大、数据传输吞吐率高、远程控制等。网络化远程监控己经成为数据采集技术发展的必然趋势。目前，国内的数据采集卡市场由外国公司主导，高速和高精度数据采集方面尤为突出。目前国内外数据采集系统具有以下特点：(1) 利用各种微控制芯片来处理，采集速度越来越快，精度越来越高。(2) 系统向着多参数、网络化方向发展。(3) 系统自动化、智能化程度不断提高。(4) 系统功耗逐渐降低，可扩展性进一步提高5。1.3 论文的主要内容本文以基于arm的嵌入式系统为核心，并综合应用高精度数据采集方法和网络通信接口技术，实现了基于arm的通用高精度数据采集装置

27、。在分析国内数据采集系统的基础上，考虑到数据的采集速度、精度和系统可扩展性，选用了samsung公司的arm7微控制器s3c44b0x，设计出一套通用性较强的数据采集系统。实现了高速和高精度信号采集，显示及传输等功能。本文的主要研究内容如下：第一章：本章首先介绍了课题研究的背景，然后介绍了本文所作的主要工作和本文结构安排。第二章：系统相关技术介绍及总体设计，讲述数据采集的基本理论和数据采集系统的总体设计。第三章：本章主要论述采集系统的硬件设计。首先讲述采集卡硬件总体设计，然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现。第四章：本章介绍了数据采集系统的软件设计，数据采集模块功能实现

28、流程及一些子程序的设计和总体程序设计。第2章 数据采集系统的总体设计2.1 数据采集的相关原理2.1.1 数据采集系统基本构成通用的数据采集系统有硬件和软件两部分组成。硬件部分主要完成数据采集，存储等功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理等功能。与传统的中、低速数据采集系统相比，高速高精度数据采集系统有其特殊性。首先，对于采样率高到一定程度的系统，很难用软件和常规的微机接口对其采样、转换过程进行控制。在这种情况下，通常用硬件实现转换过程的控制和采样数据的同步；其次，如果系统的实时性要求高，必须采用高速缓存对数据进行存储和高速ds芯片完成数字信号的实时处理。高速高精度数据采集系统的主

29、要任务是将外界模拟信号进行采集转换，然后送往计算机根据相关要求进行数据处理，其结构主要由信号调理、采样保持、模数转换和微机系统等部分组成，系统的结构框图如图2-1所示。 图2-1 高速高精度数据采集系统框图其中数据采集系统前置电路一般包括传感器、放大器和滤波器等，传感器把外界信号转变成模拟电量(如热电偶传感器、流量传感器、速度传感器等等)，其转换后的信号一般比较微弱，需要进行放大处理，在传感器转换信号和放大器工作时，常常产生噪声信号影响采集的准确性，这就需要滤波器降低各种噪声信号提高系统的信噪比。数据采集系统中常常需要对多组模拟量进行采集，在模拟量信号变化周期不快的情况下就可以选用模拟多路开关

30、，这样模数转换电路就可以只选取一套从而降低系统的开发成本。其中模数转换器是数据采集系统中的核心部分，其性能决定了数据采集系统所能实现的功能。2.1.2 数据采样原理在数据采集系统中，信息总是用离散信号来表示的，而我们需要采集的信息多是连续模拟信号，这样就必须解决连续信号如何离散化的问题。我们通过对连续的模拟信号进行采样获得离散化信息。因此理解和掌握采样定理对数据采集系统有着重要的意义。数据采集就是指将时间和幅值上连续的模拟信号以周期性时间间隔截取，从而得到一串在时间上离散的信号，然后通过模数转换将其变换为数字信号的过程。将连续的模拟信号转换成计算机可接受的离散数字信号首先需要采样得到离散模拟信

31、号，然后通过ad转换变为数字信号。采样过程包括采样、量化和编码。采样时的采样周期决定了得到采样信号的质量，经过采样后的离散采样信号是否能代表模拟信号的全部信息，奈奎斯特采样定理就是解决这一重要问题的理论，可以说是整个数据采集技术的基石。采样脉冲信号在时间t间隔内对原模拟信号进行一次采样，奈奎斯特定理指出要使采样信号能不失真还原为原信号，就必须要求采样频率至少大于两倍的原信号最高频率。采样后的离散信号幅值是时间上离散而幅值连续的信号，它不能直接输入微处理器处理，必须经过量化把它变为数字信号处理。量化就是用一组数码来代表采样过后的信号幅值，将其数字化。一般量化有两种处理方法，有舍有入和只舍不入。量

32、化结果的位数是有限制的，必须经过数学方式处理，所以这就带来了量化误差，量化误差的具体值是由其结果所用的处理方式有关。编码就是采用采样过程的最后一步，应用中通常采用二进制编码进行，分为单极性与双极性两种编码方式。数据采集系统的主要性能指标：通道数，即系统采集通道的个数；分辨率，采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量；系统精度，是实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，和系统分辨率还是有区别的；采集速率，是指在满足系统精度的前提下，对模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数；动态范围，通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数；非线性失真，也称谐波失真是指当系统输入一个频率为f

33、的正弦波时其输出中出现很多频率为kf的频率分量6。2.2 多路数据采集系统的总体方案2.2.1 数据采集系统设计目标本文设计了一种基于arm7s3c44b0x处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统。它的主要设计目标是：(1) 实时性强。系统的主要工作是对大量的过程状态参数实时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此要求硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。(2) 可靠性高。他是系统设计的一个重要要求。由于数据采集系统往往是安放在被控对象的工作环境中，所以不仅温度、湿度大，而且腐蚀多，干扰也很多，为了确保系统的可靠性，要求系统有较好的抗干扰能力和采集速度。(3) 通用性好，

34、便于扩充。一台以嵌入式系统为核心的控制装置，一般可以控制多个设备和过程参数，这就要求系统的通用性要好，能灵活的进行功能扩充。(4) 结构简单，功耗低，性能优良。2.2.2 系统的整体设计 本文设计的高速高精度数据采集系统有硬件和软件两部分组成。而硬件部分主要完成数据采集、存储功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理。该系统的控制核心samsun公司推出的16/32位risc处理器s3c44b0x。它为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本，s3c44b0x提供了丰富的内置部件：8kb cache，可选的内部sram，lcd控制器，带自动握手的2通

35、道uart，4通道dma，系统管理器（片选fp/edo/sdram控制器），带pwm功能的5通道定时器，i/o端口，rtc，8通道10为adc，iic总线接口，iis总线接口，同步sio接口和pll倍频器。s3c44b0x采arm7tdmi内核，0.25um工艺的cmos标准宏单元和存储编译器。它低功耗，精简，出色和全静态的设计特别适用于成本和功耗敏感的应用。同样s3c44b0x还采用了一种新的总线结构，即sambaii(samsung arm cpu 嵌入式微处理器总线结构)。s3c44b0x的显著特性时它的cpu核，是由arm公司设计的16或32位的arm7tdmi最高为66mhz的 ri

36、sc处理器。微处理器s3c44b0x提供全面的，通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。系统以s3c44b0x为数据采集模块核心处理器，采用模块化方法设计，按照功能的不同，分为电源电路、通道选择电路、模数转换电路、通信电路、多路开关及信号调理电路、计算机人机交互界面部分，数据采集系统整体结构图2-2所示。2-2 高速高精度数据采集系统的电路框图数据采集系统工作流程：传感器输入的模拟信号经过信号调理电路的处理（包括隔离、变换、放大、滤波等各种处理）以满足数模转换芯片对输入电平和信号质量的要求，然后通过多路开关进行信号选择，选通的信号由高性能高速电压反馈

37、放大器ad8021的进一步的处理获得更精确，精度更高的模拟信号，在微处理器的控制下模拟信号通过16位逐次渐近型模数转换器ad7663的转换处理存入数据缓存，进一步通过s3c44b0x处理器的控制的显示、键盘模块实现人机交换功能。同时多路开关的选择与控制有微处理器控制。软件部分的设计分为两个部分，分别为数据采集系统控制软件和数据程序处理两个部分。软件设计共包括五部分：通道选择，数据采集处理，数据存储，数据显示和键盘控制。系统各模块功能概述：(1) 多路开关及信号调理模块模拟多路开关是数据采集系统的一个重要部分，通常在多路被测信号共用一路a/d转换器的采集系统中用来把多路信号有条理的传送到a/d转

38、换器中去，以完成多路信号的数据采集。本系统采用的是8通道模拟多路复用器max308epe实现8路模拟信号的采集。信号调理电路主要基于ad623与max291芯片的自行设计电路。信号调理电路主要用来对传感器输入的信号进行隔离、变换、放大、滤波等等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求，同时大大的简化了信号调理电路的设计，简化了外围电路。多开关由微处理器s3c44b0x进行控制选择。(2) 模数转换模块本模块由两部分组成：信号驱动放大器ad8021与具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性的基准电压源adr421提供基准电压的模数转换芯片ad7663。 传感器输入的信号通过多路开关及

39、信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路ad8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片ad7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。(3) 存储模块传统的数据采集系统由于数据传输率较低，数据量小，一般可以完成实时分析和处理，所以存储问题不突出。但高数高精度数据采集系统的数据传输率很高并且数据量很大，采集速度达到一定的限度就无法进行实时分析和处理，所以合适的存储器显得很有必要。本设计采用的是sst39vf160芯片。它具有成本低和密度大的优点，能很好的完成本系统的存储要求，把通过内部ad7663模块转换

40、成数字量，经通信端口送入计算机进行下一步处理。(4) 键盘模块键盘扫描过程就是有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。一旦处理器判定有一个键被按下，键盘扫描程序就会滤掉抖动，然后再判定是哪个键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标示符，应用程序利用该扫描码来判断应按下了什么键。本设计就是采用的是4×4矩阵键盘，完成人机交换的键盘控制。(5) 显示模块s3c44b0x内部有一个lcd控制器，只需要在外部接一个液晶驱动模块就可以具有显示功能了。本设计设置了lcd液晶显示驱动模块与s3c44b0x的连接模式，包括接口方式，寄存器的编程。本模块达到了微处理器与显示器的数据传输

41、，实现了显示的功能。本设计主要有这五个模块组成，他们在一起共同组成了本数据采集系统的硬件基础，同时还有高速高精度的性能。软件设计是数据采集系统的硬件控制部分，它们共同构成了高速高精度数据采集系统。实现了设计要求7。 第3章 数据采集模块的硬件设计与实现本设计主要有五个模块，分别是：多路开关及信号调理模块，模数转换模块，存储模块，键盘模块，显示模块。本章详细介绍各个模块的硬件电路以及实现的原理和过程。另外还有一些辅助的电路设计，例如：电源设计，时钟电路设计等。3.1 多路开关及信号调理模块设计 3.1.1 信号调理模块信号采集系统中，绝大多数模拟量输入都带有大量的噪声不能直接输入到模数转换器中去

42、，需要对信号进行调理。信号调理电路用来对传感器输入的信号进行隔离，变换，放大，滤波等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求。调理电路如图3-1所示。图3-1 信号调理电路ad623是高精度、低噪声的仪表放大器，r1是输入限流电阻，r2是增益电阻，调节此电阻的值可改变ad623的增益g，算式为g=100/r1（k）+1。max291是滤波器，截止频率其由电容c1决定。若设为100hz：fc（khz）=1000/3c1（pf），计算得c1取值为3300pf。使用中还要注意：max291的零点漂移达-200mv-400mv，因而可在输出端串接一个10f左右的钽电容，隔去max291引

43、入的直流分量8。3.1.2 多路开关的选择本系统选用的是8通道的模拟数据选择器max308，输出哪路信号通过总线控制。带串行接口的16位模数转换集成电路（adc），它包含有跟踪/保持电路的一个低漂移、低噪声、掩埋式齐纳电压基准电源。它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308 kb/s点，满量程输入电压范围为±5v，功耗为210mw。可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收ttl或cmos的信号电平，时钟频率0.1-5.5mhz，其电路图如图3-2所示。图3-2 多路开关max308 in1in8是模拟输入通道，模拟信号由此输入。a0a2是通道选择信号，其选

44、择由微处理器s3c44b0x控制。其选择值如表3-1示。en是使能表3-1 通道选择值a2a1a0en通道a2a1a0en通道0001110015001121011601013110170111411118端，高电平信号有效。通道值的选择与a0，a1，a2的逻辑值有关，如表3-1示。当系统工作时，a0、a1、a2三个端子的逻辑值由处理器控制，en为高电平，实现了控制芯片max308的目的。 3.2 模数转换模块模数转换是把数据采集系统采集到的模拟信号转换成系统可以识别并处理的数字信号。它的精度与速度如何将影响到系统的现实性和系统的性能。本设计采用的是，本模块的设计目的就是为了实现这功能9。3.

45、2.1 信号驱动放大器信息本模块由两部分组成：信号驱动放大器ad8021与具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性的基准电压源adr421提供基准电压的模数转换芯片ad7663。信号驱动放大器ad8021是一款出众的高性能，高速电压反馈放大器，可以用于16bit分辨率系统。ad8021具有低压噪声和低电流噪声，是当今的高速低噪声运算放大器产品中静态电源电流（7ma ±5v）最低的产品。ad8021工作电压范围较宽，为±2.25v±12v，也可以采用5v单电源供电，因此非常适合高速低功耗仪器仪表。输出禁用引脚可以将静态电源电流进一步降低至1.3 ma。与同类放大器相比

46、，ad8021不仅技术性能出众，而且价格优势明显，静态电流也低得多。ad8021是一款高速、通用放大器，非常适合各种增益配置，可以用于信号处理链路以及控制环路。ad8021 图3-3 信号驱动ad8021采用标准8引脚soic与msop封装，工作温度范围为：-40°c+85°c 。芯片电路如图3-3所示。传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路ad8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片ad7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。3.2.2 基准电

47、压源adr421高分辨率的模数转换系统需要精准可靠的基准电压，adr421是基于xfet技术的基准电压源，具有极高的精度和极低的噪声，可想ad7663输出稳定的2.500v基准电压电，电路图如图3-4示。图3-4 基准电压源adr4213.2.3 模数转换芯片的选择a/d转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换工程主要包括采样、量化、编码三个步骤。a/d芯片是数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标，目前市面上a/d转换器的品种较多，每种芯片具有不同的控制方式和应用条件。比较常用的adc按转换电路结构和工作原理主要分为四类：积分型ad转换器、逐次逼近型、并行比较

48、型adc、-转换器。其中，积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50hz或60hz）的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用有用（如热电偶输出的量化）。逐次逼近型模数转换器在 1 个时钟周期内只能完成 1 位转换。n位转换需要n个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。并行比较式 a/d 转换器原理直观，转换速度极快（最高1ghz的采样速率），常用于数字通信和高速数据采集领域。缺点是功耗大，制造成本高且易产生离散的、

49、不确定的误码输出。-模数转换器采样速率较低，但采样精度会做得很高，且成本低廉，一般限于对低频较窄的转换。 图3-5 模数转换接口电路对于一般的工业采集系统在保证精度和速度的条件下，要尽量提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。通常选择逐次逼近型或并行比较型ad转换器。a/d转换器的性能参数主要有：转换精度，转换速率、输入量程以及转换误差等,根据这些参数本系统中选择开关电容结构的16位并行a/d转换器ad7663。模数转换接口电路如图3-5所示。a/d7663的输入阻抗仅为3.41k，若max308输出的信号直接输入a/d7663进行a/d转换时，会产生较大的增益误差。因此，必须

50、用阻抗极低的信号源来驱动ad7663的输入端，这里选用了信号驱动放大器ad8021。为了实现高速高精度数据采集与存储的同步，解决adc和控制器之间速度匹配问题，保证采集数据的完整性，本系统设计了高速高精度的转换器ad7663和74h273作数据采集缓冲器的设计方案，使数据的采集和传输速率进行有效的匹配，实现了数据的实时采集。ad转换是数据采集的核心，它决定着系统数据采集的精度和速度，本设计采用的是ad7663模数转换器，ad7663是一款16位、250ksps、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采用5v单电源供电，并提供8位或16位并行口和一个串行口。ad7663具有分辨率高、采样速率高、功耗小等

51、优点，在高速高精度的数据采集系统中得到了广泛的应用。图3-6模数转换接口电路ad7663负责实现模数转换的功能，它支持串行和并行方式输出，在本设计中ad7663与s3c44b0x以16位并行总线的方式连接。s3c44b0x将总线设备分为8个bank进行访问，ad7663挂在bank3上，因此将bank3的使能信号ngcs3接到ad7663的片选引脚/cs上，复位信号nreset接到ad7663的reset，总线读信号noe接ad7663的/rd。此外，s3c44b0x通过两个i/o（ncas0连至/cnvst，gpg3连至busy）来控制ad7663的a/d转换过程。传感器输入的信号通过多路开

52、关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路ad8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片ad7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换，模数转换接口电路如图3-6所示。3.2.4 模数转换芯片ad7663介绍模数转换芯片ad7663的主要特点如下：(1) 16位的采样保持功能的模数转换器；(2) 250khz的采样速率，信噪比达到90db；(3) 多种信号输入范围：02.5v、05v、010v、±2.5v、±5v、±10v;(4) 5v的单模拟电源供电；(5) 提供串行接

53、口、并行接口两种输;(6) 低功耗设计，典型功耗为75mw。ad7663的转换过程可分为三个阶段：转换准备阶段、模数转换阶段、转换结果输出阶段，其转换时序如图3-7所示。具体过程如下：首先将cs置低，然后在cnvst端输入脉冲信号，ad7663就在cnvst的每个脉冲信号的下降沿进入启动一次转换；在转换过程中，busy端为高电平出接口；在一次转换完成，busy端电平由高到低以指示本次转换完成，并将数据输出在数据总线上。此时，只需将rd置低，系统控制器就可以将数据总线上的数据取走，从而最终完成一次模数转换。ad7663的输入信号vin范围已经配置成±5v，其数据端口采用高速并行接口d0-d15。包括了一个基准电压、一个电压跟随器及供电电路等。图中各部分说明如下：为ad7663提供2.5v的模拟电压基准，并利用ad8301对基准电压进行跟随处理，减少电压波动对采样信号的影响。电压跟随器ad8301对输入的信号进行缓冲、隔离，并提供信号的负载能力。输入信号范围选择：通过选择对ina、inb、inc和ind的连接方式就可以很方便地选择信号输入的范围，系统选择了±2.5v的信号输入。输出接口方式：ad7663提供了串行口输出和并行口输出两种接