单片机高速数据采集分析器课设(共24页)

1、 武汉理工大学专业综合课程设计说明书 第 PAGE 1 页 TOC t 题目(tm), 1,题目 2, 2,题目 3, 3摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc h 21 基于(jy)FPGA的高速数据采集系统 PAGEREF _Toc1 h 3 1.1硬件组成 PAGEREF _Toc2 h 31.3发展现状及优缺点 PAGEREF _Toc3 h 42基于dsp高速数据采集分析器 PAGEREF _Toc4 h 52.1 TMS320C5409 、IDT72V03 和 AN2131Q 的硬件连接 PAGEREF _Toc5 h 52.2系统工作流程 PAGEREF _Toc6 h 5

2、2.3发展现状及优缺点 PAGEREF _Toc7 h 65 自行设计基于单片机的高速数据采集分析器 PAGEREF _Toc8 h 115.1 设计原理 PAGEREF _Toc9 h 11 5.2AD转换模块设计 PAGEREF _Toc10 h 125.2.1 TLC549芯片简介 PAGEREF _Toc11 h 125.3 DA输出模块 PAGEREF _Toc12 h 135.3.1TLC5615简介 PAGEREF _Toc13 h 135.3.2 DA输出模块电路图 PAGEREF _Toc14 h 155.4 LCD显示模块 PAGEREF _Toc15 h 155.5 总电

3、路图 PAGEREF _Toc16 h 165.7程序设计 PAGEREF _Toc17 h 176 心得体会 PAGEREF _Toc18 h 22 武汉理工大学专业综合课程设计说明书 PAGE 25 摘要(zhiyo) 高速数据采集系统广泛应用于军事、航天、航空、铁路(til)、机械等诸多行业。区别于中速及低速数据采集系统，高速数据采集系统内部包含高速电路，电路系统1/3以上数字(shz)逻辑电路的时钟频率=50MHz；对于并行采样系统，采样频率达到50MHz，并行8bit以上；对于串行采样系统，采样频率达到200MHz，目前广泛使用的高速数据采集系统采样频率一般在200KS/s100MS

4、/s，分辨率16bit24bit。关键字：高速 AD转换 单片机 FPGA DSP1 基于FPGA的高速数据采集系统 1.1硬件(yn jin)组成数据(shj)采集和传输系统只要由FPGA（中心(zhngxn)控制模块）、USB（串行总线）、A/D转换器以及其它的外围辅助电路组成。（1）A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成数字量，由FPGA接受、缓冲、存储经USB2.0端口传到PC机上。（2）FPGA是控制模块的核心部分，主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。（3）USB2.0提供了一个可以和计算机连接的数据传输口，其作用是用来接

5、受主机信号并通过它的端口来控制A/D转换器进行数据的采集。（4）PC机通过USB接口将控制命令和参数给FPGA，然后FPGA再对A/D转换器进行时序控制以及对转换数据的接收。1.2电路流程图1.3发展(fzhn)现状及优缺点国内数据采集器的现况(xin kun)上世纪08年代(nindi)末到09年初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201，SC247型，双通道的有EG3300，YE5938型，超小型的有911,902和921型.具有采集静态信号的有SMC一9012型，所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊

6、断，基本上己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定差距。主要表现：由于受国内振动等传感器水平的限制,分析频率范围不宽，给一些高速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难；由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱；设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是几个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展。高速、实时数

7、据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程(如石油化工过程)和变电站自动化等领域都有非常重要的应用。这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，高速数据采集仍然会有长足的发展。2基于(jy)dsp高速数据采集(cij)分析器2.1 TMS320C5409 、IDT72V03 和 AN2131Q 的硬件(yn jin)连接 采用 FIFO (first in first out SRAM) 方法可实现 TMS320C5409 和 USB 控制器 AN2131Q 硬件连接中 ,文中使 用两片 FIFO 实现 USB 控制器

8、和 DSP 之间的双向通信 。从 USB 控制器 AN2131Q 或者 DSP 传输的数据首先保 存在 FIFO 中 ,然后再由 DSP 或者 AN2131Q 读走 ,从而使得数据的传输不会出现堵塞情况 ,其硬件连接框图如 图 2 所示 。 2.2系统工作(gngzu)流程 数 据 采 集 流 程1 ) D S P 选 通 TL V l 5 7 1 2) DSP 初始化 TLVl57l 的两个(lin )控制寄存器 ,通过(tnggu) DSP 的 R/ W 信号和数据总线初始化控制寄存器。3)DSP 接收 TLVl571 的中断信号 ,进入中断服务程序。在响应中断过程中 ,TLVl571 留

9、出 6 个指令周期 等待 DSP 读数据 ,直到 DSP 收到面为低信号 ,TLVl571 才开始下一次采样。4) DSP 在中断服务程序中 ,读取 TLVl571 的采样数据 ,并保存 。 5)重复步骤(3)和(4) ,读取下一个采样数据,并保存。DSP 主程序流程和 USB 传输流程其工作流程可简述为 :DSP 内部定时器输出时钟信号到 TLC5510 A/ D 模块 ,TLC5510 根据这个外部时钟 信号对外界输入信号进行采样 ,每采样一个数据 ,提供一个中断信号到 DSP ,DSP 收到该中断信号后通过 DB 数据总线读取数据 ,保存在 DSP 的 RAM 单元 ,并通知 AD 开始

10、下一次采样 ,采样数据满后 ,DSP 对采样信号进 行算法处理 ,得到处理结果 。并将处理后的结果通过 USB 接口送到 PC ,以供进一步的信号分析 、显示及存 储。其中 DSP 程序的主流程及 USB 传输流程分别如图 3 和图 4 所示3 : 2.3发展(fzhn)现状及优缺点 美国德克萨斯仪器(yq)公司(Texas Instrument,简称(jinchng)TI)的TMS320VC5409系列DSP,其内部具有2Mbit的数据 空间和 2 Mbit 的程序空间 、2 个多通道缓冲串口 、16 个 DMA 通道 、32 位的扩展总线 、2 个内部定时器 、双电源 供电 、低功耗 ,最

11、高工作频率可以达到 167 MHz ,内部指令周期为 1 333 MIPS ,每条指令的执行时间仅为 6 ns 。 TLV1571 是 TI 公司开发的一种高速 10 位模/ 数变换器 。TLVl571 的时钟源有内部时钟和外部时钟两种 , TLVl571 通过控制寄存器配置采样控制。TLVl571 有两个控制寄存器 CR0 和 CR1 ,它们都必须由用户配置。 通过配置控制寄存器 ,TLVl571 可以选择不同的工作方式。数据总线的 D9 和 D8 引脚 ,也就是 Al 和 A0 引脚 , 用于区分当前配置哪一个寄存器 ,00 表示配置 CR0 寄存器 ,01 表示配置 CR1 寄存器 ,1

12、0 和 11 无效 ;数据总线 其余的 8 bit 用于配置控制寄存器 。TLVl571 收到写信号脉冲信号后 ,就会将数据总线的值写入相应的控制寄 存器。TLVl571 内置有 10 MHz 的振荡器 ,通过设置 CRl 寄存器的 D 6 位 ,可使内部振荡器的速度提高 1 倍。 如果 D 6 = 0 ,内部振荡器的速度不变 ;如果 D6 = 1 ,内部振荡器的速度提高到 20 MHz 。通过设置 CRl 寄存器的 D 3 位 ,可以设置 TLVl571 数字信号输出格式 。如果 D 3 = 0 ,输出数据格式是直接二进制格式 ;如果 D3 = 1 ,输 出数据格式是 - 进制的补码格式 。

13、TLVl571 提供外部数据输出中断信号 INT 引脚 ,该引脚信号连接到 DSP 的 中断信号 ,DSP 收到中断信号就可以读取数据总线 ,获得采样信号。 IDT7203是一种(y zhn)双端口先进先出(FIFO)9位存储(cn ch)缓冲器,存储容量(cn ch rn lin)为2 KB。输入和输出具有各自的地址 指针 ,每一个读或写操作 ,对应的输出及输入地址指针自动加 1。复位信号可将两个地址指针全部清除。对 外 提 供 数 据 区 空 ( e m p t y ) 、半 满 ( h a l f - f u l l ) 及 满 ( f u l l ) 信 号 , 用 来 指 示 器 件

14、 的 状 态 。 最 快 读 写 速 度 为 1 2 n s 。 AN2131Q 是 Cypress 公司的内嵌微控制器的 80pin 的 USB 接口控制芯片 ,它采用了一种基于内部 RAM 的 解决方案 ,允许客户随时不断地设置和升级 ,不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。片内嵌有 一个增强型 8051 微控制器 ,与标准的 8051 相比 ,其速度快 3 倍 。 3 基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统3.1硬件介绍 数据采集系统的结构框图如图所示。传感器把要检测的信号转换为电压信号送 至 A/D 转换模块,A/D 转换模块把电压信号转换为数字信号后传送给主控制器 LP

15、C2388, LPC2388对数字信号进行相应的处理,将处理的数据通过并行口传输到彩色液晶屏进行 显示,经过串口将数据送至电脑或其它设备,通过无线模块将数据传输给其它无线通讯 设备,为了对时间进行有效控制和保证系统稳定的运行控制 LPC2388 自带的实时时钟 相关的寄存器实现实时时钟的功能,为了节省主控制器的 I/O 管脚和在一定距离范围内 对主控板进行有效的控制,选用了红外控制。 3.2系统各模块(m kui)功能概述：3.2.1 多路开关(kigun)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(n yn)一路A/D转换器的采集系统中用来把多路信号有条理

16、的传送到A/D转换器中去，以完成多路信号的数据采集。这里介绍的是采用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。3.2.2.模数转换模块本模块(m kui)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(chngq)稳定特性的基准电压源ADR421提供(tgng)基准电

17、压的模数转换芯片AD7663。 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。3.2.3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

18、点，能很好的完成本系统的存储要求，把通过内部AD7663模块转换成数字量，经通信端口送入计算机进行下一步处理。3.2.4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44矩阵键盘，完成人机交换的键盘控制。3.2,5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

19、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，实现了显示的功能。4几种高速数据采集系统的比较4.1基于ARM的高速数字采集系统其主要特点如下：(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，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

20、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。4.2基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统： 随着数据采集对速度性能的要求越来越来高，传统的采集系统的弊端越来越明显，现在多采用FPGA或者FPGA+MCU（主控逻辑模块是FPGA）的结构，各模块设计使用VHDL 语言，其各进程间是并行的关系。它有MCU 无法比拟的优点。FPGA 的时钟频率高，全部控制逻辑由硬件完成，实现了硬件采样，速度快。 利用(lyng)VHDL语言(yyn)对FPGA进行(jnxng)设计，可在Quartus中进行系统仿真和验证。由FPGA在线编程的特点，可以依据现场的具

21、体情况，对FPGA的内部配置进行修改，进一步增加了系统应用的灵活性，因此该系统是一种比较理想的实时高速数据采集方案。5 自行设计基于单片机的高速数据采集分析器5.1 设计原理我设计的高速数据采集系统包括以下几个模块：AD转换模块、LCD显示模块、DA输出模块、CPU控制模块。LCD可以直观的输出直流电压，而DA模块可以实时输出高速变化电路。原理图 5.2AD转换(zhunhun)模块设计 在输入(shr)端AIN接一个(y )二选一的开关信号，可以选择手动改动的直流输入，或是高速变换的交流信号。直流输入：用一个滑动变阻器分压，并联电压表检测。交流输入：用protues自带的虚拟波形产生器 并用

22、电压表检测。AD模块采集到电压信号，之后经过转换之后将模拟电信号变成数字量并且送到CPU。CPU将数字量处理之后分别送到LCD显示模块和DA输出模块。其中由于我使用的AD和DA的芯片处理的数据位数不同，AD芯片是八位数据而DA芯片是10为数据，所以必须将AD转换后的数据转换成DA芯片能够处理的10位数据格式。模拟量输入需要AD转换，本设计使用的是八位精度的串行AD转换芯片TLC549。5.2.1 TLC549芯片简介TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制

23、电路，转换时间最长17s， TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC549芯片引脚图如下：5.2.2AD转换(zhunhun)模块电路图5.3 DA输出模块采用(ciyng)TLC5615将单片机 p3.7口输出(shch)的二进制数字信号转换为模拟信号，并接上示波器显示出来。5.3.1TLC5615简介TLC5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基

24、准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的 DAC 要好。只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入， 易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机) 接口, 适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。TLC5615主要由以下几部分组成: 1、 10 位 DAC 电路; 2、 一个 16 位移位寄存器, 接受串行移入的二进制数,并且有一个级联的数据输出端DOUT ; 3、 并行(bngxng)输入输出的 10 位 DAC 寄存器, 为 10 位 DAC 电路(dinl)提供待转换的二进制数据;

25、4、电压跟随(n su)器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗,大约10M; 5、2 电路提供最大值为 2 倍于 REFIN 的输出; 6、上电复位电路和控制电路。两种工作方式： （A）16 位移位寄存器分为高 4 位虚拟位、低两位填充位以及 10位有效位。在单片 TLC5615 工作时,只需要向 16 位移位寄存器按先后输入 10位有效位和低 2 位填充位，2 位填充位数据任意,这是第一种方式,即 12 位数据序列。 （B）第二种方式为级联方式, 即 16 位数据列,可以将本片的 DOU T 接到下一片的 DIN , 需要向 16 位移位寄存器按先后输入高 4 位虚拟位、10 位有效位和

26、低 2 位填充位, 由于增加了高 4 位虚拟位, 所以需要 16 个时钟脉冲。TLC5615芯片引脚图如下：5.3.2 DA输出模块电路图5.4 LCD显示(xinsh)模块5.5 总电路图5.6方波输入(shr)仿真5.7程序设计(chn x sh j) #include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define LCD_DB P0 sbit LCD_RS=P10; sbit LCD_RW=P11; sbit LCD_E=P12;sbit din_DA= P37; sbit cs_DA=P36; sb

27、it sclk_DA=P35; sbit DAT_AD=P15;sbit CS_AD=P16;sbit CLK_AD=P17;uint y;uchar x;uchar LCD6;void LCD_init(void);/初始化函数(hnsh)void LCD_write_command(uchar command);/写指令(zhlng)函数void LCD_write_data(uchar dat);/写数据(shj)函数void write_5615(uint da);/DA转换uchar TLC549ADC(void);/AD转换void Volt_To_LCD(void);/* /*初

28、始化函数* void LCD_init(void) LCD_RW=0;LCD_write_command(0 x38); /设置 8 位格式，2 行，5x7 LCD_write_command(0 x0c); /整体显示，关光标，不闪烁LCD_write_command(0 x06); /设定输入方式，增量不移位LCD_write_command(0 x01); /清除屏幕显示 /* /*写指令(zhlng)函数*void LCD_write_command(uchar dat) LCD_DB=dat; LCD_RS=0;LCD_E=0; LCD_E=1;LCD_E=0; /写指令(zhlng

29、)。 /* /*写数据(shj)函数* void LCD_write_data(uchar dat) LCD_DB=dat; LCD_RS=1; /数据LCD_E=0; LCD_E=1; /允许 LCD_E=0; void Volt_To_LCD(void)uchar AD_Data;uint Volt;AD_Data=TLC549ADC();Volt=(uint)(5.0/256*AD_Data*1000);LCD0=Volt/1000+0;LCD1=.;LCD2=Volt/100%10+0;LCD3=Volt/10%10+0;LCD4=Volt%10+0;LCD5=V;void write_5615(uint da)uchar i;cs_DA=1;sclk_DA=0;cs_DA=0;for(i=0;i12;i+) if(bit)(da&0 x0200)=1) din_DA=1; else din_DA=0; sclk_DA=1; da=1; sclk_DA=0; sclk_DA=0; cs_DA=1; uchar TLC549ADC(void)uchar i,x;C