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1、中北大学2010届毕业设计说明书目录绪论1引言1选题意义3国内外研究现状及应用展望3本论文的结构5数据采集系统的原理及应用6数据采集系统简介6数据采集技术概述6数据采集系统的组成6信号分析与处理7信号调理电路8信号调理电路概述及其设计原则8信号调理电路中的关键技术及其实现9ADC及外围电路10常用ADC的类型及其主要特征参数10常用ADC的应用实现11系统软件的功能及实现方法12基于单片机的智能车辆车载加速度采集系统设计13采集系统的硬件电路设计15采集系统的CPU模块15采集系统的前向通道17加速度传感器ADXL10517信号调理电路（带宽设定和滤波）20A/D转换选择及与单片机的接口电路2
2、1AD7705/06的特点22AD7705/06的片内寄存器23AD7705/06的输入采样率23单极性/双极性输入24AD7705/06的接口时序24AD7706与单片机的接口电路25 串行通信接口（SCI）电路26普通串行口RS-23226USB通用串行总线28DC/DC电源变换器30采集系统的软件设计与实现33单片机软件设计33主程序设计33中断服务程序设计34数据采集（A/D转换）模块35通信模块36系统的软硬结合，虚拟仿真及系统抗干扰39系统软硬件结合仿真的方法39系统的抗干扰39结束语41附录：42参 考 文 献47致 谢49- II -中北大学2010届毕业设计说明书绪论引言数据
3、采集与信号处理已经成为现代信息产业技术的核心，它涉及了传感技术、计算机技术和信息技术三大支柱性技术，对社会发展、科技进步起着重要的作用1。随着计算机技术的发展和成熟，计算机的应用也越来越广泛。在自动化领域，计算机已经成为控制系统的首选平台，应用计算机对生产和试验进行实时、远程监控是现代自动化发展的主要方向。将计算机应用于工业实时控制的前提是现场数据的实时获取。数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码及传输等步骤，最后送到计算机或其它微处理器进行数据处理会记录的过程。在许多自动化控制中
4、，经常要进行现场数据的实时采集，实现工艺或特性参数的调节和控制，出现了许多带各种功能的数据采集模块、系统，但很多产品成本较高，而基于单片机的多通道模拟信号数据采集系统，通过总线扩展，实现现场数据采集与通信控制，具有结构简单，成本低，性能可靠等特点。传感器作为数据采集与信号处理系统中最前端的部件，直接面向被测量的对象，是各种信息的感知、采集、转换、测试、处理的重要技术工具，已成为国际上研究的热点，特别是智能传感器的研究，因此传感技术也是当代科学技术迅猛发展的重要标志。传感器是按一定规律将被检信号转换成便于进一步处理的物理量（一般是电压、电流、电脉冲等）的器件，理想的传感器应该能够将各种被检测信号
5、转换成高输出电平的电量，能够提供零输出阻抗、噪声，并具有良好的线性与重现性。加速度传感器作为传感器的一个重要分支，人们很早就开始对其进行研究。其中压电加速度传感器作为一种重要的传感器，主要用于冲击和振动信号的获取。它具有等效阻尼比小，在00.2fn的频率范围内常数的幅频特性和零相移，满足不失真转换条件，传感器输出的电荷信号不仅与被测加速度波形相同，而且无时移等优点。因此压电加速度传感器信号的获取与分析在科学研究中显得尤为重要。但是，压电加速度计的内阻可视为无穷大，测振时，压电片产生的电荷极其微弱。要将此电荷信号不失真地转换为电压信号，就要求后续的放大器有极高的输入阻抗和灵敏度以及很低的电噪声。
6、在振动测试中，常采用电荷放大器作为压电式传感器的前置放大器，它能很好的满足上述要求，将电荷信号转换为电压信号。其输出电压幅值适当，输出阻抗低，并有一定的功率负载能力，便于连接后续测试仪器。有些电荷放大器还具有模拟积分功能，可将振动加速度的电压信号积分为振动速度或位移的电压信号2,3。将上述电路与传感器集成在一块，即成为内置电路压电式（ICP）传感器。传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是：大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测
7、试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模拟输出信号还要转换为数字信号等。因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。常用的信号调理环节有电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器、电器隔离等。信号调理属于模拟信号处理环节，它是利用一定的数字模型所组成的硬件运算网络来实现对连续时间信号进行分析处理的过程。尽管数字信号处理技术已经获得了很大发展，但模拟信号处理任然是不可少的，即使在数字信号分析系统中，也要加入模拟分析设备。基于硬件的信号调理处理速度很快，在计算机测试系统中一般作为数字信号处理的前奏。在存在干扰噪声
8、的场合，隔离是一种非常重要的干扰抑制措施。如果测量系统中存在着较大的地电位差噪声，则隔离是克服这种共模噪声不利影响的最有效措施。常用的隔离技术有变压器隔离、光电耦合隔离、隔离放大器隔离。随着电子测量技术与计算机技术的飞速发展，数据采集系统（DAS）也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，以便提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息。是研究瞬态物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一它将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力。面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量转换
9、成数字量，在经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。数据采集系统中常用到多路模拟开关、可编程数据采集专用集成电路、高精度数据采集单片系统（SOC）4。近年来，随着微电子技术、系统集成技术和电子技术的飞速发展，一大批新颖、独特、高集成度、高性价比的单片机外围电路器件如雨后春笋般竞相问世，这对提高单片机测控系统的性价比、可靠性和安全性起到了重要作用4。目前，单片机测控系统正朝着单片集成化、数字化、智能化、多功能、微功耗、高可靠性的方向发展。选题意义当今工业社会正是信息化的社会，信息采集和信息处理是信息社会的两大支柱。随着大规模集成电路、半导体技术和信息技术的飞速发展，使得以微型计算机为中
10、心的信息处理系统发展迅猛，在社会各领域得到普及，逐步使得各行各业实现了自动化、智能化和系统化。从近20多年化学实验测量仪器的不断变换来看，就可以感受到其发展的迅猛。人们不仅仅满足于简单的信息采集，而更多的是依赖于电子计算机对信息的处理。尤其是微型、高速、高精度、高性价比的基于单片机或DSP的采集测控系统的应用越来越广泛。加速度信号（动态或静态）的采集在工业生产中尤其重要。在航空和宇航领域，对航空发动机振动进行采集测量，以检验航空发动机的设计、制造、装配质量及运行状况，保证飞行安全。也可以对正在飞行中的飞机发动机进行状态检测，因为在发动机研制、生产和使用过程中，都必须对发动机进行振动测量或进行动
11、态监视。在医学上，对人体脉搏动态加速度进行采集测量，使得“切脉”这一中医诊断的主要手段的准确度大大提高，不再受到医生的主观因素影响。在智能车辆上，对动态加速度进行采集以便随时监测车辆的状态，保证车辆的行驶安全。这些自动测试系统的正常运行，都离不开数据采集。它是在监测、管理和控制一个系统的过程中，获取原始数据的主要手段。国内外研究现状及应用展望上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，包括单通道、多通道和小型化仪器。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断，基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。但是国内数
12、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的差距8。表现为信号采集受传感器性能限制，分析频率范围小；数据采集器的内存不大，数据采集器本身的数据处理功能不强，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，实时处理功能较弱；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，智能化水平不高，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。近20多年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术同样得到了飞速的发展，处理速度提高了三个数量级，PC总线的带宽获得了500倍的提高，同时系统工程师的设计难度、系统设计成本都随着技术的进步和工艺的提高大大降低。另外，USB和
13、以太网接口等接口技术正在数据采集系统中得到越来越广泛的使用。PC、笔记本电脑甚至PDA基本都配有以太网、USB或IEEE-1394接口，便携式数据采集系统越来越得到用户的青睐。这些数字信号处理技术的发展对数据采集系统中模拟信号的处理能力提出了挑战。为了使数据采集系统整体性能获得提升，模拟器件也正向着高速度、高精度、低功耗、小封装和低成本的方向发展。以NI公司的数据采集产品为例，NI公司最新的高性能M和S系列产品使用的是一个或多个16位或更高分辨率的ADC，采样速率大于1MSPS，PXI-5105则使用了8个12位分辨率、60MSPS采样率同时进行采样的ADC。器件发展的同时，系统也向着更加集成
14、化发展，美国ADI公司就相继推出了多型高精度单片数据采集系统2,5。如今，数据采集领域正在发生着重要的变化，其一，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展，其二，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。数据采集系统的应用范围非常广泛。随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。一般的数据采集主要应用于：第 53 页 共 55 页（1）生物医学信号处理（2）多媒体技术与人机交互（3）导航与现代通信技术（4）遥感，遥测的应用（5）人工智能与模式识别，计算机视觉与可视化（6）雷达，声纳信号处理（7）微弱信号处理技术随
15、着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如：由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向主要有：1）系统抗干扰性保证获得的数据较精确。如：可设计一个数据采集器，它除了正常的低 通滤波，RC滤波外，还可用PHOTOMOS光继电器对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。2）实时通信保证数据处理单
16、元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如：采集现场与处理单元距离短可用RS-232总线，距离长可用RS-485总线。3）高速数据采集一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高速，高性能的A/D转换相适应。4）低功耗性适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。本论文的结构本文在理论方面对动态加速度采集系统作了较深入的研究。参阅大量文献和资料，在前人研究成果的基础上，根据本课题的特点提出采用以单片机AT89C5l为核心的一个小型系统对加速度传感器的信号作数据采集，然后通过USB通用串口总线通讯将数据送给车载计算机，对数据采集进行显示和监控等处理，从而实现了一种基于单片
17、机的动态加速度数据采集系统。下面分别从数据采集系统，各分电路模块及总电路，通信处理，软硬结合几方面加以说明论述。第2章分别介绍了数据采集系统的软硬件（结构）功能及实现方法，以此为基础在第3章开始论述了本采集系统的具体硬件实现及功能说明，第4章在硬件设计的基础上设计了系统的软件结构及编程流程，第5章简要介绍了系统与上位机之间通信仿真的方法及系统的抗干扰。数据采集系统的原理及应用数据采集系统简介数据采集技术概述数据采集是这样一种电路系统，它把从传感器或其他方式得到的模拟信号，经过必要的处理后转换成数字信号，以供存贮，传输，处理和显示之用。相应的系统称之为数据采集系统。高速数据采集系统在雷达、通信、
18、电子对抗、航天测量、图像、多媒体等多种领域有着广泛的应用，而且应用背景对高速数据采集系统的采样速率要求越来越高。在高速电路中的毛刺捕获、火箭喷气流量的动态测试以及遥感遥测等场合均需要高速或超高速的数据采集技术。随着微电子技术的飞速发展，高速数据采集技术也有了长足的发展，数字示波器是典型的数据采集系统。另外，逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等也属于高速数据采集系统范。数据采集涵盖的知识面广，包括模拟数字转换技术，模拟信号调理技术，微处理器技术，DSP技术，数据通讯与接口技术，数字信号处理，抗干扰与电磁兼容性设计等多项技术，而针对不同的环境和场合，不同的仪器或传感器又对数据采集的采集有不同的要求
19、，因此数据采集也成为智能仪器设计中难点多，工作量大，需要成本高的关键技术2。数据采集系统的组成数据采集系统的主要内容通常包含硬件（连同处理器在内的全部电路），软件（包括监控管理程序及各功能模块应用程序）及结构工艺等部分组成。一般的数据采集系统的硬件主要由传感器（采样）、信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如图2.1所示。传感器模拟信号调理数据采集系统微机系统图2.1 数据采集系统的基本组成实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量）。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通
20、道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。其中，集中采集式多路模拟输人通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种；分散采集式的特点是每一路信号一般都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输人计算机，根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为单机采集系统和网络式采集系统。信号分析与处理信号分析是信号调理的基础，分析的目标通常有信号的概率密度、相关性、频谱等，分析的目的就是要提取或利用信号的特征。信号是信息的载体，信号特征本质上往往体现出信号源的特征。这种特征可以从
21、各个方面域表现出来，因此分析也可以从各个方面(域)去进行。不同域的特征之间通常是有对应关系的。但某种信号在某个域能更清晰地体现自己的特征，比如在很多情况下，信号的频域表示比它的时域表示更简单明了，容易解释和表征。便于特征分析、参数识别、数据压缩、信号合成等。谱是指信号的某些特征随频率的分布，如幅度谱、相位谱、能量功率谱等。对谱的研究，有些是为了研究信号本身，比如通信中研究信号谱以便让信号更好地匹配通信信道的特性；也有些只是借助谱去研究其他的东西，比如通过谱去研究信源，通过输入输出谱的对照去研究系统的传递函数，从而研究系统特征。不管出于什么样的目的，谱分析目前在工程领域中已经成为不可缺少的一项技
22、术手段。数字谱分析的对象是表征物理量现象的各种信号。不同类型的信号其谱的定义和计算方法也不同。对于工程实际中用的物理信号，可以从不同的角度进行分类。1确定性信号和随机信号；2能量信号和功率信号；3周期信号和非周期性信号；4连续时间信号和离散时间信号。确定信号是自变量的确定函数。对于自变量的每一个值，可以通过数字关系式或图表对照唯一地确定其信号值。比如正旋信号、指数信号、卫星轨迹信号、电容充放电的电压信号等。都是确定信号。另一类信号，比如白噪声、语声信号、图象信号、信道中传输的数据信号等属于随机信号。它们无法用数字或图表的关系来描述，无法准确预测。它们在常规意义上是最无规律的但是在统计意义上还是
23、有服从一定规律的。能量有限的信号称为能量信号，它满足：（2.1）能量信号可以是有限长的，也可以是无限长的，比如指数衰减信号。如果信号能量无限大，比如确定性的周期信号、阶跃信号以及随机信号等，就不能从能量，应该从功率方面去研究这类信号叫功率信号，它们必须满足：（2.2）能量信号可以分析其幅度谱、相位谱和能量谱。确定性的功率信号可以分析其幅度谱、相位谱和功率谱。随机信号是非周期、不确定的功率信号，不能分析其频谱和能量谱，只能分析其功率谱。为了把变动的模拟信号转换为数字信号，首先要对模拟信号采样，得到一系列在时域上是离散的样值。样值从幅值上看仍然是模拟量。然后把样值用振幅域离散的值来近似，这就是量化
24、。经过量化的样值就可以进行编码，变换为数字信号了。因此，采样，量化和编码是模拟信号转化为数字信号的基础。信号调理电路信号调理电路概述及其设计原则送入数据采集系统的各种待转换物理参数如温度、压力、位移、流量等都是模拟量。首先要把这些模拟量转换成电信号，才能由电路实现进一步的处理。把各种物理量转换成电信号的器件称为传感器。传感器给出的电信号往往远不是所需要的理想状态，这就需要对信号加以调理。一般的数据采集系统分为模拟信号调理部分和数字部分。其中模拟部分完成输入阻抗变换、根据信号大小进行增益调节及抗混叠滤波等，因此模拟信号调理电路在数据采集系统中具有重要的作用。采样频率的高低、对环境噪声的抑制能力、
25、自身对有用信号的干扰和采样精度等都是模拟信号调理电路中必须要考虑的问题。特别是对信号幅度微弱、干扰和噪声幅度大、精度要求高、动态范围大、数据的时实性要求高的情况。对模拟信号的调理提出了更高的要求。信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（ Signal Conditioning ），相应的执行电路统称为信号调理电路。传感器前置放大低通陷波高通采集电路图2.2 典型调理电路的基本组成在选择确定模块总体设计方案时，应遵循以下设计原则：1确保性能指标的完全实现系统设计的根本依据是所要
26、达到的性能指标。它必须首先得到保证，如输入阻抗、模拟通道的带宽、采样率、系统分辨率及系统精度等。2系统结构的合理选择系统结构的合理与否，对系统的可靠性、稳定性有直接影响。3安全可靠有足够的抗干扰能力，要保证在规定的工作环境下，系统能稳定，可靠地工作。保证系统精度能符合要求，同时也要保证系统应用人员的人身安全。4经济性原则在遵循以上设计原则的条件下，在器件选择上尽量以完成相同的功能的基础上选择那些价格相对来说比较低些的器件为标准，这样可以有效地降低生产成本，为产品进入市场打下良好的基础。信号调理电路中的关键技术及其实现1输入阻抗(Impedance matching)的设计阻抗匹配是指负载阻抗与
27、激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。在高速数据采集的信号调理过程中，常用的输入阻抗设计需要考虑两个因素，一是较高的输入阻抗，对微弱的输入信号不会带来波动的影响，但是在被测信号源频率较高时，会带来严重的信号反射，破坏信号的完整性。二是较低的输入阻抗，可以与被测信号源的内部阻抗进行匹配，达到最大功率的输出状态，但是这种输入阻抗会对较微弱的信号带来破坏性。所以本设计的输入阻抗需要考虑被测信号的能量及频率因素。2合理的增益控制电路的设计前端信号调理电路的目的一般有两个，一是对大信号的测量能力，通过对幅度较大信号的程控衰减，使其满足ADC的输入量程，来达到有效的对大信号进行测量的目的
28、。二是对小信号的测量能力，通过对小信号的程控放大，达到精确测量小信号的目的。通过对信号有效的放大和衰减电路，来保证整个信号调理部分足够的动态范围。3ADC前端缓冲及电压变换的设计高速ADC模拟输入通道，为了降低共模干扰，一般采用差动电压输入模式，所以在进入ADC模拟通道前，需要一级单端变差分的电压形式变换。另外大多数高速ADC对被测源输入阻抗有较高的要求，所以需要加一级缓冲电路。ADC及外围电路随着现代科学技术的迅猛发展，特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活，微型计算机就是一个典型的数学系统。但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中
29、的许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等。这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电形式模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器(Analog to Digital Converter)，简称ADC。常用ADC的类型及其主要特征参数现实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，在各种不同的产品中都可以找到它的身影。传统方式的AD
30、C，例如逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。在全并行基础上发展起来的分级型和流水线型ADC，主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。这些高速ADC今后的发展方向是在现有高速基础上尽可能提高其分辨率，以满足兼顾高速、高精度的发展方向。20世纪90年代以来获得很大发展的-型ADC利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样，量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达24位，主要应用于
31、高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。在ADC器件的选择过程中主要需要考虑以下特征参数：1分辨率它相应于最低二进制 (LSB)的模拟量。它规定了ADC转换器能够区分的模拟量的最小变化值。因为能够满足分辨率的模拟量的值取决于二进制数，所以通常采用位数表示分辨率，比如：4位、8位、12位等；2量化误差(Quantizing Error)由于ADC的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率ACD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率ADC(理想ADC)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为lLSB、1/2LSB；3精度除了量化
32、误差，还有其他的因素，非线性引起的误差。在手册中，对这种附加误差的总和，成为不可调误差，实际上就是ADC转换器调整到最精确的时候还存在的误差。精度指的是量化误差与附加误差之和；4转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的ADC转换所需的时间的倒数。积分型ADC的转换时间是毫秒级属低速ADC，逐次比较型ADC是微秒级属中速ADC，全并行/串并行型ADC可达到纳秒级。采样时问则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ks
33、ps和Msps，表示每秒采样千/百万次(kilo/Million Samples per Second)。除了上述主要技术参数外，在选购ADC芯片时，还要考虑货源、价格等方面的因素。常用ADC的应用实现ADC主要的应用领域不断拓宽，广泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。对不同的领域有不同的要求，例如转换速率、精度、接口、电源、通道、内部配置的要求等，每一类ADC都有相应的优化设计方法；同时，用户不仅要考虑到ADC本身的工艺和电路结构，而且还应考虑到ADC的外围电路，如相应的信号调理电路等模拟电路的设计。低速率高精度ADC的方案实现：低速率高精度ADC最常用的即-型。由于其极高的精度和
34、防噪性能非常适合直接连接多种传感器，且广泛应用于压力、应力测量，工业现场监视及医疗电子领域。但是由于其极高的精度，使得模拟量噪声，对此类系统影响很大。此类ADC共同特点是有一个片上数字低通滤波器，该滤波器对内部调节器取样率具有极好的抑制作用。在内部调节器取样率倍频处，令人讨厌的输入扰动几乎没有衰减就折回到DC部分(即混叠)。-转换器以输出速度的倍数对输入取样，这个倍数通常称为过取样比(OSR)。由于OSR通常很大(64)，因此数字滤波器可以对输入噪声源提供极好的抑制作用，并简化抗混叠要求。由于其广泛的应用空间，各大半导体公司均有种类繁多的-型ADC。例如Linear公司的LTC24XX系列，T
35、I公司的ADSl2XX系列，Analog Device公司的AD77XX系列、Entail公司的H171XX系列及Microchip公司的MCP35XX系列等。虽然种类繁多，不过他们的应用方法基本一致，其内部均包含-调制器、数字滤波及易用的串行接口。单ADC芯片实现多路数据转换的方案：在数据采集系统中，往往需要对多通道模拟信号进行采集与处理。且此系统并不需要太高的处理速度及实时性，例如电力监控、工业过程监控等。此类系统多以时间为横坐标，以记录形式来保存多通道的测量结果。在很多应用场合，需求8、16通道甚至32、64通道的数据进行采集、记录。这时，如果每通道利用一片ADC的话，整个系统就很难控制
36、。并且从成本的角度来说，也是不可接受的。这时候，我们可以利用多路模拟信号配合单个ADC，用合适的模拟开关，来完成预期的任务。多路模拟通道单ADC任务形式大致分为两种，一种为ADC芯片内集成多路模拟开关，典型的芯片如Analog Device公司的AD7908、AD7829，Linear公司的LTCl8XX全系列，均包含了八个模拟输入通道。另一种为用单通道、单片ADC，通过外部模拟开关，进行切换选择，达到多通道测量的目的。系统软件的功能及实现方法1系统软件的功能系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。系统软件设计包括上位机的软件
37、编程和下位机的软件编程，下位机实现的功能有：器件初始化、A/D转换、事件触发判断、增益控制、产生时序信号和数据的传输、存储、显示等；上位机实现的功能有：串口监视、数据收发与保存、图形显示、仪器参数设置等。2系统软件设计的方法（1）明确软件设计任务在软件正式设计之前，首先必须要明确设计任务。然后，再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务，细分成若干个相对独立的小任务，这就是软件工程学中的“自顶向下细分”的原则。（2）按功能划分程序模块并绘出流程图将程序按小任务组织成若干个模块程序，如初始化程序、自检程序、采集程序、数据处理程序、打印和显示程序、打印报警程序等，这些模块既相互独立又相互
38、联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。（3）程序设计语言的选择选用何种语言与硬件选择有关。（4）调试程序首先，对子程序进行调试，不断地修改出现的错误，直到把子程序调好为止，然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。其次，调试程序时，在程序中插人断点，分段运行，逐段排除错误。最后，将调试好的程序固化到EPRO（系统采用微处理器、单板机、单片机时）或存入磁盘（系统采用个人微机时），供以后使用。系统软件设计的软件平台可使用VB、VC或Labview作为开发平台，主要在于良好的人机界面、采集模块与计算机
39、通讯总线选择，以及数据分析与处理功能。根据设计者的实际情况选择。基于单片机的智能车辆车载加速度采集系统设计本单片机数据采集系统包括前向通道（传感器及小信号放大电路即前置放大器）、信号调理电路（滤波）、A/D转换电路、信号处理（单片机）以及与PC机的串行通讯电路，还有稳压电源电路及抗干扰电路。原理框图如图2.3所示。传感器采用ADI公司的ICP型ADXL105加速度传感器，A/D转换中的ADC采用AD7705/06，单片机采用AT89C51，与PC的通信采用USB或RS232接口电路。电源模块用LM2576设计一个5V的稳压源，系统抗干扰方面采用CD4060设计硬件看门狗电路。传感采样电路信号调
40、理电路单片机串行通信接口电路车载计算机电源电路A/D转换图2.3 采集系统原理框图在硬件设计基础上，系统软件设计工作有：设计与车载计算机的通讯软件，实现信号的存储、显示与控制信号的输出功能。采集系统的硬件电路设计在系统分析与总体设计的基础上，本部分对数据采集系统各个部分的硬件电路进行详细设计。数据采集系统硬件电路的主要模块有：数据采集系统的CPU模块、采集系统前向通道（传感采样及信号调理电路）、系统的A/D采样模块、系统的通讯传输模块、系统显示与数据存储模块。本部分将对这几个模块分别进行研究和设计。一个系统硬件的实现，实际就是元器件的选择及这些元器件之间电路的联系。单片机应用系统中可用的各种元
41、器件种类繁多，功能各异、价格不等，这就为我们在器件功能、特性等方面进行选择提供了较大的自由度。我们必须对系统的要求、芯片的特性有充分的了解之后，才能选择好所用的元器件。选择元器件的基本原则是选择那些能满足性能、指标可靠性高的元器件。系统总电路图见附录及附图。采集系统的CPU模块MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，一直到现在，MCS-5l系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，它的基本型产品是8051、8031和8751。MCS-51单片机应用范围非常广泛，在其单片机系列中，有HMOS和CHM0S两种工艺状态的芯片。CHMOS是专为低功耗系统设计的芯片类型，集成度高，速
42、度快，功耗低。一般称为低功耗型单片机。INTEL的80C31/80C51/80C71是MCS-5l系列中的CHMOS结构，MCS-51单片机基本型中的8051是在国内有着很大影响的单片机。美国ATMEL公司所生产的89系列单片机，是和8051兼容、并且内部含有Flash存储器的单片机。它是一种来源于8051而又优于8051的系列14。在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域都有着极大的应用前景6。原来8051的大量用户都转向采用ATMEL公司的89系列单片机。ATMEL公司生产的8051系列的部分单片机性能列表2.1如下：表3.1ATMEL公司生产的8051系列的部分
43、单片机性能列表ATMEL8051主要特性列表（一）型号/特性AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52AT89S53AT87F51AT87F52程序存储器4k flash8k flash4k flash8k flash12k flash4k OTP8k OTP数据存储器128256128256128256工频/MHz332433定时/计数器232323UART通道1A/D转换器WDT-YESSPIISPYES工作电压4.0-6.0V5.0V封装形式PDIP，PLCC，TQFPAT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读
44、程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 可编程UARL通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作：0-24MHz 1个串行中断 128x8bit内部RAM 两个外部
45、中断源 共6个中断源 可直接驱动LED 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 图3.1AT89C51引脚图采集系统的前向通道加速度传感器ADXL1051ADXLl05简介ADXL105是美国ADI公司(Analog Devices，Inc)生产的单片集成加速度传感器，是一种MEMS加工技术开发的高性能、高准确度的变间隙差动式结构的差容式力平衡加速度传感器，具有噪声低、外形小巧、方向性好、分辨率高、时漂与温漂小，抗震性能强等特点，特别适合在恶劣的工业环境与汽车测试系统中工作20,21。ADXL105内部包含一个多硅表面微处理传感器和BIMOS信号控制电路，故可形成开环加速度测
46、量结构。单片ADXLl05有下述特点：分辨率高，达2mg。频率响应范围宽，为DC to 10KHZ。测量范围为5g。可承受1000g的剧烈冲击。直流工作电压为+2.7 to +5.25V。输出灵敏度(可调)：250 to 1500mV/g。内置缓冲放大器，可用于输出灵敏度及零加速度输出电平调节。可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性)，也可以测量动态加速度(如振动和冲击)。ADXL105内部功能结构图3.2 所示。图3.2 ADXL105内部功能结构图2工作原理ADXLl05是个集成于单片集成电路的加速度测量装置，其内部包含一个多晶硅表面的微处理传感器和BIMOS信号控制电路，形成开环加速度测量系统。由于加速度的产生使得该结构内部的差动电容器失去平衡，产生一个幅度与加速度成正比的方渡电压输出。同时采用相位解诃技术校正信号，可以确定出加速度的方向，这样就可以获得完整的加速度信息。ADXLl05的输出，在默认情况下是250mV/g，这个比例放大系数在有些场合并不适