基于自动巡回检测的数据采集系统的设计

1基于自动巡回检测的数据采集系统的设计摘要：数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，随着科技发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广泛的发展前景。文章系统介绍了数据采集系统的结构及其主要部分的工作原理。本文基于自动巡回检测的设计，着重介绍了双向8通道多路开关，采样保持器LF398，A/D转换器AD574A及其与8051的接口。文章阐述了数据采集系统设计的基本原理和思想。关键词：数据采集，自动巡回检测，模拟多路开关，采样保持，A/D转换，单片机，接口ThedesignofDASbasedonTheAutomationCircularMonitorAbstract:DAS(DateAcquisitionsystem)isnotonlythebridgebetweencomputersbutalsothemainwayacquiredinformation.DASistheimportantpartoftheinformationscience.Withthetechnologydeveloped,specificallythecomputertechnologydevelopedandwidelyused,DateAcquisitiontechnologyisbeingusedwidelyindiversefields.ThearticleintroducesthestructureandprincipleofthemainpartoftheDAS.Inthebasicoftheautomationcircularmonitordesign,thearticleintroducesemphasizedoublewayeightopeningswitchCD4051,S/HLF398,Analog–Digitalconverter(ADC)AD574AandtheinterfacebetweenMC-8051andAD574A.AlsothearticleintroducesthebasicprincipleandtheoryofDASdesign.Keywords:DateAcquisitionAutomationCircularMonitorAnalog-DigitalconverterMultilayerSwitchS/HSingleChipMicrocomputerinterface21、数据采集系统及其结构1.1、数据采集基本概念外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如温度，压力，位移，速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机在监测，管理和控制一个系统过程中取得原始数据的主要手段。数据采集就是将被测对象（外部世界，现场）的各种参量（物理量、化学量、生物量）通过各种传感器做适当转换后，再经过信号调理采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采集的成套设备为数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）。现代数据采集系统具有如下主要特点：（1）一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率大为提高，也节省设备。（2）软件在数据采集系统中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。（3）数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集系统与处理系统，可实现从数据采集，处理到控制的全部工作。（4）数据采集过程一般都有实时特性，实时的标准是能满足实际需要，对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。（5）随着微电子技术的发展和电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，以至出现单片机数据采集系统。（6）总线在数据采集系统中的广泛应用，总线技术对数据采集系统结构的发展起重要作用。1.2、数据采集系统的基本结构数据采集系统包括硬件和软件两部分。硬件部分又分为模拟部分和数字部分。图1是硬件基本组成示意图。3图11.2.1、传感器、放大器与滤波器传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟变量（如电压、电流或频率）。例如：使用热电耦、热电阻可以获得随温度变化的电压。通常把传感器输出到A/D转换器输出的这段信号通道称为模拟通道。放大器用来放大和缓冲输入信号。由传感器输出的信号较小，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入5v～10v的要求。此外某些传感器的内阻较大，输出功率较小，这样放大器还起到阻抗变换器的作用，可以缓冲输入信号。由于各类传感器的输出信号情况各不相同，所以放大器的种类也很繁杂。传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可通过各种耦合噪道使信号通道感染上噪声，这种噪声可用滤波器来衰减以提高模拟输入信号的信噪比。1.2.2、模拟多路开关在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关的主要用途是把模拟信号分时地送入A/D转换器或者把经计算机处理后的数据由D/A转换器转化成模拟信号，按一定的顺序输出到不同的回路中去。前者称为多路开关，完成多到一的转换。后者称为反多路开关或多路分配器，完成一到多的转换。多路模拟开关可分时选通来自多路输入通道的某一路信号。因此多路开关的单元电路如采样保持电路、A\D及其处理器等只需一套即可。这样可节省成本和体积，但这只在物理量变化比较缓慢，变换周期在数十至数百毫秒之间的情况时较合适，因为这样可使用普通的数十微妙的A/D转换器从容的分时处理这些信号。但当分时通道较多时必须注意泄露及逻辑安排等问题。当信号频率较高时，使用多路分路开关，对A\D转换器的速率要求也随着上升。4当信号频率较低时，须注意选择多路模拟开关的类型。多路模拟开关的导通电阻一般在100Ω左右，在要求导通电阻小的情况下应采用继电器。1.2.3、采样与保持采样/保持和A/D转换电路是模拟通道的转换部分。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的采样脉冲，并保持幅值恒定以提高A/D转换器的转换精度。采样/保持电路有采样和保持两种运行状态，其原理图可由图2说明。图中电容C为保持电容，运放A1、A2都接成跟随器，其运行状态由方式控制输入端决定。在采样状态下，采样命令通过方式控制输入端控制S闭合，由于跟随器A1的隔离作用，输入模拟电压以很快的速度给C充电，输出随输入变化。在保持状态下，控制S打开，此时由于跟随器A2的隔离作用，电容C两端电压（即输出电压）将保持在命令发出时输入电压不变，直到新的采样命令到来为止。图2采样/保持电路的质量可通过下列技术指标来反映：（1）孔径时间，是指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。孔径时间一般在10ns～20ns量级。（2）扑捉时间,是从开始时采样保持器输出的值达到当前输入信号的值所需的时间。它与保持电容的电容值，放大器的频响时间以及输入信号的变化幅度有关，A/D转换器的采样时间必须大于捕捉时间才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。一般采样/保持电路0.01%的捕捉时间在300ns～15us之间。（3）保持电压的下降，指在保持状态下由于保持电容的漏电流和其他杂散漏电流而引起的保持电压的下降，其值一般在0.1uv/s～1uv/s之间。（4）馈通，是指在保持期间由于输入信号电压变化而引起输出电压变化的程度。馈通只对高精度的A/D转换器有影响。（5）电压增益精度，是指当环境和电源变化时，电压增益可以保持的精度。51.2.4、A/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口，是模拟输入的通道的关键电路。由于信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速度及成本的要求也不同。A/D转换器的主要指标有：（1）分辨率：即输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。具体定义为，满量程电压FSR与2*n的比值，其中n为ADC的位数。（2）量化误差：由ADC的有限分辨率引起的误差。（3）偏移误差：指输入信号为零时，输出信号不为零的值，又称零值误差。（4）满刻度误差：指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。（5）线性度：转换器实际的特性曲线与理想直线的最大偏移。（6）绝对精度：输出数码所对应的实际模拟输入电压与理想的模拟输入电压值之差。（7）相对精度：绝对精度与满量程电压值之比的百分数。（8）转换速率：在保证转换精度的前提下，能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。1.3、据采集系统的主要性能指标对数据采集系统的性能要求和具体应用目的以及环境有密切联系，在不同的情况下往往有不同的要求。以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义：（1）系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。（2）系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。它是系统的实际输出值与理论输出值的差，是系统各种误差的总和。（3）采集速率：又称为系统通过率、吞吐率。在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。这里的“采集”包括对物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等全过程。（4）动态范围：某个物理量的变化范围。数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大值Vimax与最小值Vimin之比的分贝数，即Ii=20lgVimax/Vimin6（5）非线性失真：也称谐波失真。当输入是一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整数）的新频率分量的现象。2、动巡回检测所谓自动巡回检测就是在科学实验装置或生产过程中的某个或某些参数以一定周期自动的进行检查和测量。例如：发电机组的运转，卫星发射前各部位的状态都需长时间不间断地进行监控。在组成巡回检测系统时，需注意被测信号的变化频率，测量的精度以及采样周期等方面要求。比如：被测信号参数变化较快，应在系统中加入采样保持器，相反，如被测参数变化缓慢，系统可以不使用采样保持器。3、硬件设计3.1、设计要求要求设计一个能对八路模拟信号（电话频率≦100HZ）进行巡回检测的系统。要求电压范围：0v～10v，分辨率为5mv（0.05%），通道误差小于0.1%，采样间隔为1秒，同时为了增强抗干扰能力还要求能对采样信号进行数字滤波处理。3.2、器件选择及简介3.2.1、多路模拟开关CD4051CD4051的导通电阻为200Ω，由于采样保持器的输入电阻一般在10MΩ以上，所以输入电压在CD4051上的压降仅为0.002%左右，符合要求。CD4051的开关漏电流仅为0.08nA。当信号源内阻为10KΩ时，误差电压大约为0.08uV，可以忽略不计。CD4051是双向八通道多路开关，其符号及引脚配置如图3。多路模拟开关CD405由电平转换、译码/驱动和开关电路三部分组成。CD4051带有三个通道选择输入端A、B、C和一禁止端INH。当CBA为000—111B时可产生八选一控制信号，使八路通道中的某一通道的输入与输出接通。当INH为0时允许通道接通，当INH为1时禁止通道接通，其真值表如表1。表1：CD4051真值表7图33.2.2、采样保持器LF398LF398是由场效应管构成的采样保持电路，它具有速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点，当保持电容为1uF时，其下降速度为5mv/min，电压增益精度可达0.01%，LF398原理框图如图4。当逻辑控制端IN+为0时，呈保持状态，此时S打开，输入保持不变。为了提高精度常需要加保持电容CH，但是CH的容量的增大会导致采样时间的增加，为解决采样速度与电压下降速度之间的矛盾，可采用两级采样保持电路。图43.2.3、A/D转换器AD574A巡回检测周期允许为1秒，为了对采样的数据进行滤波处理必须对每路信号进行多次采集。因此A/D转换器采用转换速度快的AD574A。AD574A的分辨率为0.025%、转换误差0.05%，转换时间25uS，输入电压范围0v～10V或0v～20V，符合要求。AD574A由模拟