数据采集系统的设计.doc

武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书1摘要数据采集系统，是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。本课程设计对数据采集系统作了基本的研究。本系统主要解决的是采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送的实现方法。关键字：数据采集、A/D转换、模拟量。数字量、串行通信武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书2数据采集系统的设计1设计内容及要求设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。要求：选择合适的芯片；设计原理电路（包含译码电路）；编制数据采集的程序段；编制数据通信程序段；撰写设计说明书。2数据采集系统原理及实现方案本课设是设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1毫秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，10路模拟量A./D转换MCU工控机20路数字量RS485I/O扩展武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书3单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。硬件设计应用电子设计自动化工具，数据采集原理图如图1所示：图1数据采集原理图由原理图可知，此设计主要分三大部分：模拟量的输入采集，数字量的输入采集，从机向主机的串行通信。信号采集分析：采集多路模拟信号时，A/D转换器前端需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。本题设计要求简单，模拟量和数字量直接给出，故信号采集部分可忽略，而将数据输出直接连接至A/D转换器输入端。模拟量的采集：A/D转换器的选取应考虑：（1）转换时间的选择：转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。由于本系统的控制时间无具体要求，故可不予考虑，但至少要小于题目要求的1ms，这是可以达到的。（2）AD位数的选择：A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为10位。输入为05V时，分辨率为0049.01251210NFVV设计要求10位精度的10路模拟量，通过查阅资料，TLC1543芯片满足要求。TLC1543是一种开关电容结构的逐次逼近式A/D转换器，片内提供转换时钟，12位或8位串行数据输出。可采集11路模拟输入电压，由片内多路开关选通，并采样保持。数字量的采集：设计中要求是20路数字量，可利用单片机的I/O口直接采集，但需要20个I/O口与之对应，这样，就浪费了芯片的管脚资源，可采用并行采集、串行输出的办法，进行I/O口扩展。武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书4传输方式分析：通过串行通讯方式RS485向工控机传送。3系统硬件设计3.1模拟量的输入采集设计模拟电压量的输入需要经过A/D转换才能进行采集，此设计要求10路模拟量的10位精度A/D转换，可采用芯片TLC1543。3.1.1TLC1543功能介绍AD采样模块采用TLCl543。TLC1543具有以下特点：10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等，串行输出,内部时钟,转换时间21S,线性度±1.0LSB,该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单TLC1543的控制端CS、IOCLOCK、ADDRESS和数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议。TLC1543和微处理器的串行接口之武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书5间可通过一个4线接口高速传输数据。图2是TLC1543的引脚示意图：TLC1543为20脚封装的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器封装和时序图如图2所示A0A10为11路模拟输入端，图2TLC1543管脚图REF+和REF-为基准电压正负端，ADDRESS为串行数据输入端用于输入4位端口地址，DATAOUT为A/D数据输出端，I/OCLOCK为数据输入输出提供同步时钟，芯片内部有一个14通道多路选择器，可以选择11路模拟输入通道和3路内部自测电压中的任意一路进行测试，片内设有采样-保持电路。在转换结束时EOC置高，表明转换完成。TLC1543具有高速转换时间，高精度10位分辨率，最大1LSB不可调整误差和低噪声的特点。当EOC为高时将CS置低A/D开始工作，由ADDRESS端送入4位地址的最高位B3在B3有效期间输入一个I/OCLOCK信号，将地址最高位移入A/D地址寄存器，同时从DATAOUT端口读出前一次采样转换的10位数据的最高位A9，然后送入B2，同时输入一个I/OCLOCK信号，将B2移入A/D地址寄存器，从DATAOUT读出A8，按此时序进行直到将4位地址送入A/D，同时读出前一次采样转换结果的A9、A8、A7、A6高四位，然后输入6个I/OCLOCK信号，将A5A0读出，10个I/OCLOCK信号后，EOC将置低此时A/D进入转换过程转换完成后EOC置高。3.1.2单片机与TLC1543芯片的接口方法TLC1543的三个控制输入端CS、CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，51系列单片机未内置SPI接口，不过仅需通过软件模拟SPI协议即可硬件方面将TLC1543的CS、CLOCK、ADDRESS、DATAOUT、EOC五个端口与AT89C52的5个I/O口相连接AT89C52的其余27个I/O口足以完成其它功能。采样电路连接如图3所示，仅占用P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4端口就实现了具有10路的数据采集系统。该系统具有结构简单、可靠、容易扩展、精度高、武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书6高性价比等优点。P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4分别与EOC、时钟、地址、数据、片选端分别相连。图3TLC1543与单片机的连接3.2数字量的输入采集设计数字量可直接与单片机的I/O口相连进行采集，但考虑到有20路数字量，管脚利用量较多，可采用74ls165芯片进行并行采集，串行输出，减少管脚用量。3.2.1数字量的得到通过接地和和接5V电源将可得到数字量：图4数字量的得到武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书73.2.274ls165功能介绍74LS165芯片是8位并行输入串行输出移位寄存器，使用此芯片可以扩展一个或多个8位并行I/O口。引脚图如下图：图574ls165的引脚图74ls165有16个引脚，引脚功能如下：D0-D7:并行输入端，可同时输入8路电平信号。SH:数据置入控制端，当其为低电平时，并行数据(D0-D7)被置入寄存器CLKINH:片选使能端，低电平使能，使能时数据随着脉冲的输入而输出CLK:时钟脉冲输入端QH/QH:串行输出端，两输出电平时反向的。SER:串行附加输入端3.2.3单片机与74ls165芯片的接口方法单片机与74ls165芯片的接口如图所示，可以采集24路数字量: