现代测量与误差分析作业

1现代测量与误差分析作业摘要：本文介绍了由51单片机、AD7934-6转换器、滤波电路及多路选择开关组成的四通道数据采集电路，包括采集电路设计的依据和所用到的元器件的参数与型号,并给出了ADC驱动程序。一、整体的设计要求及总框图已知：1、压力传感器的量程：0~100Kg;2、传感器灵敏度：0.01Kg;3、传感器分辨率：0.01Kg;4、传感器信号输出频率：1000Hz;5、测试系统工作量程：0~50Kg;6、测试过程中具有高频扰动；7、测试系统工作温度范围：－40℃～60℃。8、传感器输出采用电流输出：4-20mA标准电流输出要求：1、设计四通道数据采集电路,ADC采用AD7934-6；2、各通道采样周期5ms;3、详细说明采集电路的设计依据；4、CPU可不指定型号，采集电路与CPU的接口由示意图形式表示；5、给出采集电路所有用到的元器件的具体型号、参数，主要考虑的指标；6、提供主要元器件的说明书；7、给出ADC的驱动程序。总框图：四通道数据采集电路如图1所示。2传感器1低通滤波MUXADCCPU传感器2传感器3传感器4低通滤波低通滤波低通滤波图1四通道数据采集电路总体设计原理图四路传感器同时采集信号，输出四路模拟信号，经过低通滤波调理电路滤除高频干扰后，由多路选址开关选通其中一路输入A/D转换模块，其中选通信号由CPU进行控制，转换过的数字信号输入CPU。二、主要元器件选择2.1．滤波电路测试过程中具有高频扰动，所以在AD转换芯片前需要加一个低通滤波器。因为各通道采样周期5ms，则采样频率f1/0.005=200Hz。则根据奈奎斯特频率在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。因此fs/2=f/2=100Hz。为消除频率混淆，在采样前先用一个截止频率ffs/2=100Hz的低通滤波器把高于fs/2的频率分量滤掉，其中f=1/2πRC,保证采样时被采样频谱只包含低于fs/2的频率分量，满足奈奎斯特采样定理。通道0的低通滤波电路如图2所示。其他通道类似。图2低通滤波电路2.2．AD7934-6转换器AD7934-6转换器芯片的引脚如图3所示。引脚的功能描述见表1。3图3AD7934-6引脚分布表1AD7934-6引脚功能描述引脚序列号符号说明1VDD提供输入电压，范围为2.7V到5.25V。2/WB字或字节输入。当输入为高电平时，字传输模式启动，数据于引脚DB0至DB11之间传输；当输入低电平时，字节模式开启。数据和通道在DB0至DB7之间传输，DB8为HBEN模式。3至10DB0至DB7数据位0到7。三个并行数字I/O引脚提供转换结果，允许控制寄存器可编程。DB0到DB7由CS、RD和WR三个引脚决定。11DRIVEV逻辑输入电源。改电压的大小决定了转换器并行接口的电压。改引脚需通过电容接地。该引脚电压可以和VDD的电压不同，但是比VDD的电压不能超过0.3V。12DGND数字地。13DB8/HBEN当/WB引脚为高电平时，此时DB8有效，为三态I/O口。当/WB引脚为低电平时，HBEN有效，为高字节引脚。当HBEN为低电平时，低字节DB0至DB7可以读写；当HBEN为高电4平时，DB0至DB3可读写。当读时，DB4和DB5包含了转换的信息，DB6和DB7总是为0。当写时，DB4至DB7必须为0。14至16D89至DB11数据位9至11。这些引脚为CS、RD和WR所控制。17BUSY输出口。逻辑输出反应了转换的状态。在CONVST引脚下降沿时，该引脚跳变为高电平。当转换完成，转换结果保存在输出输出寄存器中，该引脚输出变为低电平。18CLKIN时钟输入。时钟频率决定了转换时间。时钟信号可以是连续的，也可以为断续的。19CONVST转换开始输入。该引脚的下降沿用来初始化转化。该引脚高低电平变化时，完成一次A/D转换。20WR写输入。当低电平时，可以向寄存器写入数据。21RD读输出。低电平时，可以访问输出结果。当CS为低电平，并且RD为下降沿时，转换结果位于数据线上。22CS芯片选择。低电平输入时，结合WR、RD引脚，读取转换数据或写入数据。23AGND模拟地。24/REFINREFOUTVV参考输入或输出电压。25至2803ININVV至模拟输入口。AD7934-6的连线图见图4所示。AD7934-6并行接口转换和读取的方式见图5所示。5图4AD7934-6的连线图图5AD7934-6的转换和读取时序图2.3．CPU的选择因为A/D转换器的转换速率01()CNtt（tC转换时间、t0休止时间，N为A/D转换器通道数），应大于传感器采样频率，在考虑到成本的情况下，选择AT98C51单片机。三、硬件电路设计及ADC驱动程序电路根据功能分为单片机模块和A/D模块。图6是A/D转换电路单片机模块原理图，图7是A/D转换电路AD模块原理图。6图6A/D转换电路单片机模块原理图图7A/D转换电路AD模块原理图单片机P1.0引脚和AD7934-6的CONVST引脚相连接，单片机通过查询此引脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换；P1.1脚和HBEN引脚相连，单片机通过设置此引脚可以读取12为数据的高低位；P2.0脚的作用是通过反相器74LS04向AD7934-6提供片选信号ADCS；START为外部控制脚，它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换；D0至D7为8位数据线和AD转换器的响应位连接。74LS04为6输入反相器，这里用到其中一路，它的作用是对单片P2.0引脚7信号取反，从而提供给A/D芯片片选信号ADCS（低电平有效）。AD转换器的时钟信号由单片机的ALE引脚提供，读、写引脚/RD、/WR和单片机AT89C51的读写引脚分别相连；HBEN引脚由单片机控制输入，可以得到12位转换结果。A/D转换电路涉及到摸拟和数字信号，为保证最佳的性能，在印制电路板设计时需要仔细考虑。为了减少噪声，应该让模拟信号和数字信号分开，尽量让数字地线处于数字信号线之间，“模拟地”和“数字地”分开处理，最终在电路板的边角处相连。ADC的驱动程序如下所示。unsignedcharCH0DataL,CH0DataH;#defineADCH0XBYTE[0X0100]SBITADINT=P1.0;SBITHBEN=P1.1;voidmain(){EA=1;EX0=1;//打开外部中断0While（1）;//等待外部中断0启动模数转换}/*外部中断0服务子程序*/voidint0svr(void)interrupt0using1{EX0=0;//关闭外部中断0adch0=0x40;/*查询AD7934-6的中断输出ADINT,检测是否完成了信号的一次模数转换*/While(ADINT!=0){HBEN=0;//先读低位}8CH0DataL=adch0;HBEN=1;//再读高位CH0DataH=adch0;HBEN=0;EX0=1;//打开外部中断0}四、参考文献1.传感器与检测技术，赵勇、胡涛，机械工业出版社，2010.92.传感器与检测技术原理及实践，付家才、孙毅男，中国电力出版社，2008.13．单片机原理与应用设计，张毅刚、彭喜元，电子工业出版社，2008.4