《基于AVR单片机高速数据采集系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AVR单片机高速数据采集系统.doc（51页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、摘 要本论文主要是应用AVR单片机进行数据采集系统的设计，数据采集系统是将传感器输出的模拟信号进行采集转换成数字信号，然后送入计算机进行处理，或进行数据储存和显示，并按需要的形式输出处理结果。随着计算机技术和电子信息技术的高速发展，数据采集结合先进的电子技术，已经能利用软件来处理大量测量数据。特别是嵌入系统的投入，高性能的单片的大量应用，使采集系统更加智能化和综合化。 本设计采用AVR系列单片机的ATMEGA16单片机，AD620放大器，AD7853数模转换器,6N137隔离芯片等芯片的连接来实现温室的温度,湿度,光度三路信号的采集。使用ATMEGA16实现其控制，采用ISP通信方式进行数据传
2、输。通过PA口输出进行LCD显示和储存。关键词：数据采集；AVR单片机；ATMEGA16；ISPABSTRACTThe paper mainly realize the design of data-collecting system based on the AVR sigle-chip.Data-collecting system transform the analog signal from sensor to digital signal,then send it to computer for processing or data-saving and displaying,and
3、 that put processing outcome out by means needed.Along with the high-speed development of the computer technique and electronical information technique,data-collecting combined with advanced electronical technique,can deal with quanty of meaguring data by using software.Especially, the embedded syst
4、em added and high effective MCU used more often make the data-collecting system more smart and comprehensive.The design uselize ATMEGA16 from the AVR series sigle-chip, AD620amp,AD7853 didital to analog convertor,6N137 isolation chip etc.to realize three signals applied in the Temperature ,humidity,
5、 lighting，analysis.it use ATMEGA16 to realize the control ,ISP to transport the data,PA to display in LCD and to save. Keywords: data-collecting ;AVR sigle-chip; ATMEGA16; ISP目 录 摘 要IIIABSTRACTIV目 录V第1章 绪论71.1数据采集系统的发展71.2数据采集基本理论81.3设计的任务和要求91.4设计的目的和意义10第2章 总体方案和原则112.1系统设计原则112.2总体设计方案112.3系统信号流程
6、12第3章 芯片概述143.1 AMEGA16芯片概述143.1.1 ATMEGA16的结构143.1.1.1 ATMEGA16整体结构143.1.1.2 ATMEGA16功能结构143.1.2 ATMEGA16的封装及引角153.2 AD620芯片概述173.2.1 AD620的结构173.2.1.1 AD620的介绍173.2.1.2 AD620内部结构183.2.2 AD620的封装及特点183.3 ADS7835芯片概述193.3.1 ADS7835结构193.3.2 ADS7835封装及特性193.3.3 ADS7835工作模式203.3.3.1工作模式概述203.3.3.2 SPI
7、和QSP通信模式简介223.4 6N137芯片概述223.4.1 6N137的结构22第4章 硬件电路设计244.1电源电路的设计244.2 前置电路的设计244.2.1放大电路设计244.2.2 A/D转换隔离电路设计254.3 单片机控制电路设计264.4 外设电路设计274.5 总电路设计274.5.1 总设计电路274.5.2 各元件功能简述294.5.3电路信号流程29第5章 软件设计305.1软件总体设计方案305.1.1初始程序设计305.1.2整体中断程序设计305.2程序设计325.2.1 SPI通信程序设计325.2.2 总程序35第6章 设计总结406.1设计过程406.
8、2需求改进406.3 设计心得41致 谢42参考文献43附 录44第1章 绪论1.1数据采集系统的发展作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面方面的影响。比如:测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术，以及在实践中不断提出的新要求，这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。在21世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量技术的发展产生深刻的影响。在当今网络化时代，以因特网为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了前所未有的突破
9、和成功，测量技术的发展当然也离不开互连网。网络化测量和(对网中仪器设备的)控制技术正随着网络的发展而迅速发展，其优势令人瞩目。凭借自身优良的性能，网络化测量和控制已经成为测量技术发展的必然趋势。现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求。(1)随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装置没有完善的检测手段是不可能适应要求的。(2)从当前世界自动化技术的发展趋势看，现代控制技术趋于全程化。即在生产(或制造)过程的全部时间领域内实现在线控制和管理。这意味着过程控制系统将提供工厂设备在其生产周期内的完整数据，以
10、保证对每日的操作运行的优化。(3)现代控制技术应用人工智能技术(模糊逻辑、人工神经网、专家系统、模式识别。(遗传算法和小波分析)对生产过程参数进行测量，以提高控制精度，保证品质。(4)传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，除了复杂生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用已经扩展到企业产品的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化，如现代物流供需链管理、电子商务等。这些都对测量技术的发展提出了更新、更高的要求:测量的方法、可测量的种类和范围应不断拓宽和更新，准确度要提高。可见，现代控制技术对计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测
11、量需求已成为测量技术发展的不竭动力，正不断地促进和推动着计量测试技术的发展。简而言之，数据采集系统的发展离不开测量技术的发展，网络化测量和控制是其发展的必然趋势。1.2数据采集基本理论“数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。模拟通道N模拟通道一模拟通道二多路开关程控放大定时与控制逻辑计算机A/D转换图1.1数据采集系统框图图1.1是典型的数据采集系统硬件框图。模拟输入信号经过模拟多路开关，程控放大器，进入模拟数字转换器(ADC)转换为计算机可以接受的数字信号，计算机对数字信号进行存储和处理，并对对结果进行显示打印。上图
12、假设数据采集系统对多路模拟量进行采集。一般是在不要求高速采集的场合，可使用公共的A/D转换器，用模拟多路开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器之间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D，从而实现分时转换的目的。程控放大器的作用是对模拟输入信号进行调理，以便充分利用A/D转换器的输入电压范围。也就是说，为了能充分利用A/D转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，应把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应的电平值。一般通用多路数据采集系统各通道的模拟信号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器能够
13、实现这个要求，就在于它的放大倍数随时可以由一组数码控制，这样，在多路开关改变其通道序号时，控制放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最适合的放大倍数。A/D转换器高速缓存计算机定时控制逻辑AdataBdata图1.2带缓存的单路输入的高速数据采集系统图1.2是一种带缓存的单路输入的高速数据采集系统。由于采样速率高，所以采用一个A/ D变换器转换一路信号的方式，并且常常将数据在读入计算机或处理设备之前加以缓存。对于这类高速A/ D变换器，输出一般分两路输出，交替给出转换数据以降低速率。1.3设计的任务和要求“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字信
14、号，并送入计算机进行存储、处理、和输出处理结果过程。实现数据采集的系统称为数据采集系统。由此可见，数据采集系统的任务就是将传感器输出的模拟信号进行采集转换成数字信号，然后送入计算机或专用信号处理设备进行处理，并可按需要的形式输出处理结果。随着计算机技术的迅速发展和普及，数据采集系统的应用越来越广泛。在工业生产过程中，数据采集系统可用来实现生产过程的实时监控。在科学研究中，数据采集系统用来实现对研究目标的定量分析和动态模拟。数据采集技术已渗透到地质勘探、医疗器械、雷达、通讯、测控等技术领域。随着数字硬件的开发和制造技术的发展，越来越多的传统模拟设备和系统被数字硬件和软件所代替。数字化处理有着极大
15、的优越性。数字化处理使处理精度提高，并且为处理提供了更大的灵活性。提高系统的性能;便于对信息进行加密，从而提高信息的安全性;对信息进行信道编码可以抵御信道干扰和噪声的影响，提高信道质量。在实际应用中，对数字采集系统的主要要求是速度和精度。速度由采样率来反映，采样率由被采集模拟信号的带宽决定。应用于现代雷达数字信号处理技术和软件无线电技术领域的数据采集系统，其采样率可高达几百MSPSC (megasymbols per second兆符号/秒)。灵敏度由分辨率决定，一般认为，在80dB的动态范围要求下，分辨率应不低于12位。1.4设计的目的和意义在现代农业,工业,等许多行业中,温室得到了大量的应
16、用。在温室系统中主要是多其中的温度,湿度,光度进行控制。在实现对其中环境控制之前,必须得到精确的环境采集量。本设计就是针对温室系统能够实现精确快速的温度,湿度,光度采集。对较早温室控制系统而言,数据采集都采用独立的人工的对温度,湿度,和光度实施采集。这样由于很多因素的影响精确度不高,对环境变化反应速度慢,各采集量独立,不便于整体控制操作等缺点。而对现代电子技术不断发展, 电子、电脑技术已被广泛应用于各种生产和生活之中,特别的单片机系统不断的应用,使的各种生产生活更加智能化,便捷化。应对温室数据采集的要求,本课题的研究目的是设计出温度，湿度，光度三路信号的数据采集器，采用电子技术对信号电压进行采
17、集并直接与PC机接口，实现三路数据记录和储存。*采用12位A/D采样。*可在同一时间采样三路独立信号。*提供自校准功能。*曲采样速度较高，单通道采样最高可达500KHz。 *直接通过USB接入PC机联机操作，便于数据传送分析。 *A/D后采用放大采用隔离放大器，适于采集非相关的信号电压，通道隔离度要高。第2章 总体方案和原则2.1系统设计原则根据当前技术状况和发展趋势，系统设计和开发应立足于最先进并且成熟的主流产品和主流技术上，在技术开放和高度集成的基础上，进行高层次的应用开发，在系统建设主导思想的指引下，使系统简单易用、易维护、易扩展并且高度安全可靠。因此，系统的规划实施必须遵循以下原则:1
18、、数据采集的高速率、高精度原则:数据采集系统对数据采集环节中的采集速率和采集精度的要求极为苛刻。采集速率越高，就意味着在相同采集时间段内和相同的采样点上，得到更多的采样值，在分析处理测量数据时，能最大程度精确地绘制化学信号的某种渐变过程:对于采集精度来说，越高就表示在被测物体上采样的位置更多，越能更全面的反映物体在不同科学测量实验环境中的性状。理论上，这两个数据采集指标越高越好，所以在硬件设计中应该充系统分析及总体设计方案分考虑到这个因素。2、数据采集过程实时性原则:在启动数据采集的自动化过程后，要求能够实时显示采集数据;能够实时检测数据采集系统中的硬件设备状态，及时进行错误报警;能够实时的记
19、录每一帧的采集数据。3、投资保护原则:极大限度地保护用户的投资，充分利用现有的通信网络系统和计算机设备。在系统的设计上考虑未来资源种类和属性的增加，留下充裕的扩展余地，具有良好的可扩展性和灵活性，以适应设施的迅猛发展趋势，满足当前及未来资源管理的需求。4、经济、实用原则:确保系统具有友好的用户界面，便于掌握、使用和维护，且能解决具体的实际问题，并采用成熟的技术，在保证系统性能并达到要求的前提下，尽量使系统投资最省。2.2总体设计方案采集系统从功能上主要由三部分组成，即A/D,隔离放大、单片机控制器。由于所采集信号为化学反应参数，要求采样信号之间彼此完全独立而无任何相关，且采样环境要求抗干扰能力
20、强，所以前置放大器采用隔离放大器，使被采集信号完全与采集器的主控电路分离，从而使采样信号间完全不相关，同时提高了抗干扰能力。系统分析及总体设计方案主电路包括A/D采样、单片机控制/存储电路、与PC的接口，考虑到可能脱机测试数据，应包括用户键盘及显示接口。在主电路图和电路板图设计上形成不包括电源在内的两大主体部分，即A/D隔离放大部分与主控电路部分。A/D隔离放大部分负责完成A/D采样控制及信号放大与隔离，主控电路完成与PC机的通讯、用户界面控制等一系列控制功能。这两部分需分别设计制版，再联合统调。模拟输入A模拟输入B模拟输入C放大放大放大A/D采样A/D采样A/D采样隔离隔离隔离单片机控制器显
21、示USB接口PC机接口CHACHBCHC键盘图2.1设计总框图此次所设计实现的A/D隔离放大系统有两大优点。本次课题中所采取的方法，拟将三路通道分别进入A/D后再进行隔离，这样，只要由单片机控制让A/D同时采样，并将三路数据由三个I/0口接收，那么就能实现数据的实时性，而不必使用轮询的方法。同时，用一块A/D控制采集一路的化学信号，可以达到很高的采集速率。实验结果还得到:用先A/D后隔离后所得到的数据的线性度会有很大的提高。2.3系统信号流程温度传感器通过感受环境温度变化，把温度通过模拟的电信号表示，由于模拟信号比较弱，温度模拟电信号再通过放大模块，对温度电信号进行放大加强。A/D采样对放大的
22、模拟信号进行采样，按照合适采样和编码定理，模拟温度信号变成了数字信号表示。数字温度信号在通过单片机的控制实现其译码，把数字信号表示成相应的物理量，通过显示电路进行外部显示，同时也通过储存电路把数字部分进行采集储存。湿度和光度信号分别通过湿度和光度传感器，把信号分别变成模拟信号，再通过放大，转变成较强的电信号。在各自经过的A/D采样，通过不同的量化度和编码，转变成了数字湿度和光度信号。再通过显示和储存设备对湿度和光度进行显示和储存。三路信号处理过程是相同的，只是采用了不同采集传感器，不同的A/D采样量化度和编码形式。第3章 芯片概述3.1 AMEGA16芯片概述3.1.1 ATMEGA16的结构
23、3.1.1.1 ATMEGA16整体结构Atmegal6是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，Atmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。一条指令的执行只需一个时钟周期，与传统的单片微机相比较速度要快很多倍，因而能够胜任高速AD采样时的控制工作。为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储
24、器是可以在线编程的FLASH. 快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU(算术逻辑单元)操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期，AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间，状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。角存储器空间包含64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存系统硬件设计及实现器、SPI,以及其他I/0功能。映
25、射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。3.1.1.2 ATMEGA16功能结构在16MHZ频率下速度为16MIPS的8位RISC结构单片机，内含硬件乘法器。支持JTAG端口仿真和编程，仿真效果比传统仿真同更真实有效。8通道10位AD转换器，支持单端和双端差分信号输入，内带增益可编程运算放大器。16K字节的FLASH存贮器，支持 ISP、IAP编程，使系统开发、生产、维护更容易。多达1K字节的SRAM，32个通用寄存器，三个数据指针，使用C语言编程更容易。512字节的EEPROM存贮器，可以在系统掉电时保存您的重要数据。多达20 个中断源，每个中断有独立的中断向量入口地址。2个
26、8 位定时/计数器，1个16位定时/计数器，带捕捉、比较功能，有四个通道的PWM，2个硬件USART、SPI和基于字节处理的IC接口。杰出的电气性能，超强的抗干扰能力。每个I/O口可负载40mA的电流，总电流不超过200mA。可选片内/片外 RC振荡、石英/陶瓷晶振、外部时钟，更具备实时时钟（RTC）功能；片内RC振荡可达8MHZ，频率可校调到1%精度；片外晶振振荡幅度可调，以改善EMI性能。内置模拟量比较器。可以用熔丝开启、独立振荡器的看门狗，看门狗溢出时间分8 级可调。内置上电复位电路和可编程低电压检测（BOD）复位电路。六种睡眠模式，给你更低的功耗和更灵活的选择。ATMEGA16L工作电
27、压2.7V-5.5V，工作频率0-8MHZ；ATMEGA16工作电压4.5-5.5V，工作频率0-16MHZ。32个I/O口，DIP40、TQFP44封装。与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性，保护您的知识产权。3.1.2 ATMEGA16的封装及引角图3.1的PDIP封装图*VCC数字电路的电源。*GND地。*端口A(PA7.PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A
28、处于高阻状态。端口 A 的第二功能:PA6 ADC6 (ADC 输入通道6)PA5 ADC5 (ADC 输入通道5)PA4 ADC4 (ADC 输入通道4)PA3 ADC3 (ADC 输入通道3)PA2 ADC2 (ADC 输入通道2)PA1 ADC1 (ADC 输入通道1)*端口B(PB7.PB0) 端口B为8 位双向I/O口，具有PA7 ADC7 (ADC 输入通道7)PA0 ADC0 (ADC 输入通道0)可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口
29、B处于高阻状态。端口B的第二功能:PB7 SCK (SPI总线的串行时钟)PB6 MISO (SPI总线的主机输入/从机输出信号)PB5 MOSI (SPI总线的主机输出/从机输入信号)PB4 SS (SPI从机选择引脚)PB3 AIN1 (模拟比较负输入)OC0 (T/C0输出比较匹配输出)PB2 AIN0 (模拟比较正输入)INT2 (外部中断2 输入)PB1 T1 (T/C1外部计数器输入)PB0 T0 (T/C0外部计数器输入)XCK (USART 外部时钟输入/ 输出)*端口C(PC7.PC0) 端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以
30、输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口 C 的第二功能:PC7 TOSC2 (定时振荡器引脚2)PC6 TOSC1 (定时振荡器引脚1)PC5 TDI (JTAG 测试数据输入)PC4 TDO (JTAG 测试数据输出)PC3 TMS (JTAG 测试模式选择)PC2 TCK (JTAG 测试时钟)PC1 SDA (两线串行总线数据输入/输
31、出线)PC0 SCL (两线串行总线时钟线)*端口D(PD7.PD0) 端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D的第二功能:PD7 OC2 (T/C2输出比较匹配输出)PD6 ICP1 (T/C1输入捕捉引脚)PD5 OC1A (T/C1输出比较A匹配输出)PD4 OC1B (T/C1输出比较B匹配输出 )PD3 INT1 (外部中断1的输入)PD2 INT0 (外部中断0的输入)PD1 TXD (
32、USART输出引脚)PD0 RXD (USART输入引脚)RESET复位输入引脚,持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。3.2 AD620芯片概述3.2.1 AD620的结构3.2.1.1 AD620的介绍AD620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器，是一种只
33、用一个外部电阻就能设置放大倍数为110000的低功耗、高精度仪表放大器。它体积小，为8管脚的SOIL或DIP封装:供电电源范围为+/-2.3V、+/-18V;最大供电电流仅为1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为50uV，最大输入失调电压漂移为1PV/，最大输入偏置电流为2.OnA。在增益G=10时，其共模抑制比大于93dB。在0.1Hz-lOHz范围内输入电压噪声的峰一峰值为0.28pV，输入电流噪声为0.1pA/Hz。增益G=1时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15us。3.2.1.2 AD620内部结构为了获得最高的性能，许多A/D变换器都采用差
34、分模拟输入，输入三极管Q1和Q2提供了唯一双极差分输入。采用差分模拟输入对共模噪声有很好的抑制作用。它的输入偏移电流比一般情况低10倍。通过Q-A-R，环路和Q2-A2-R2环路的反馈，保持了Q1、Q2集电极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻Rg的两端，从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为G=( R1+ R2 )/Rg+1。由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF管脚电位有关的单路输出。Rg的值还确定了前级运放的跨导。当Rg减小时，放大倍数增大，对输入三极管的跨导渐渐地增大，这个带来的优点就是:放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小了与增益有关的误差;由CZ和
35、前置运放跨导确定的增益带宽乘积增加，因此频率响应得到改善;主要由输入三极管集电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到9nV/HZ。3.2.2 AD620的封装及特点图3.2AD620引角图（1）AD620引角功能:*1、8跨接电阻调节放大倍率；*4、7接需提供正负相等的工作电压；*由 2、3接脚输入的放大的电压值；*6接脚输出的放大电压值，脚5接是参考基准，如果接地，则脚6的输出为与地之间的相对电压。（2）AD620特性:*能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标；*只用一只外部电阻就能设置放大倍数1-1000；*体积小，只有8个引脚；*低功耗，最大供电电流为1
36、.5MA，输入阻抗20k欧姆。3.3 ADS7835芯片概述3.3.1 ADS7835结构ads7835的是12位,采样模拟数字转换器，完成与采样-保持,国内2.5v参考,并同步串行接口. 典型功耗为17.5mw在500khz吞吐量速率. 该装置可置于功率下降模式,从而降低损耗仅2.5mw .内部可参考overdriven外部电压. 低功率,体积小,速度快,使ads7835适合电池操作的系统,如无线通讯装置,portable multichannel data loggers ,频谱分析器. 串行接口也提供低成本的隔离远程数据采集,并保证在-40至85温度范围。3.3.2 ADS7835封装及
37、特性CONVVREFCLKANVRCFGND87654321AINCLKGNDADADS7835GNDDATAGNDCO+VCCMSOP-8图片3.3 ADS7835引脚图（1）ADS7835引角功能：*1脚接VREF内部参考电压；*8脚 +VCC 电源+5V；*2脚AIN 模拟输入-2.5+2.5；*7脚接 CLK 时钟125ns5us；*3脚 GND 接地 ；*6脚 DATA 接12位数据输出；*4脚 GND 接地。*5脚 CONV数据输出允许； （2）ADS7835特性：*500kHz的处理速率；*正负2. 5V的内部参考电压，亦可接入更高的外部参考电压；*低功率:在500kHz的处理速
38、率时的典型功耗是17.5mW；*可设置低功率模式工作，其功耗可降达2.5mW；*单端输入电压5V；*同步:串行接口；*无误码；*工作温度范围可达-40+85 。3.3.3 ADS7835工作模式3.3.3.1工作模式概述ADS7853有6中工作模式，我们了解其中的四种，根据设计的需要，我们选择的是SPI和QSP模式，模式选择不同则具有不同的时序，其中时间标示和CLK和串行数据传输关系如下。表3.1 ADS7835时间标示表时间标 示说明最小 时 间典型 时 间最 大 时 间tacp采样时间350nstconv转换时间1.625ustckp时钟周期125ns500nsTck1时钟底半周期50ns
39、tckh时钟高半周期50nstckdh下降沿对现行传输数据无效时间5ns15nstckds下降沿对下一组传输数据有效时间30ns50nsTcv1CONV脚底电平时间40nstcvhCONV脚高电平时间40nstckchCLK下降沿CONV脚保持时间10nstckcsCLK下降沿CONV脚置位时间10nstckdeCLK下降沿到数据有效时间20ns50nstckddCLK下降沿到数据高阻时间70ns100nstckspCLK下降沿到采样时间5nstckpdCLK下降沿到省电模式时间50nstcvhdCONV下降沿到采样有效时间5nstcvspCONV上升沿到采样模式时间5nstcvpuCONV上
40、升沿到全功率工作模式50nstcvddCONV变换时间到数据高阻时间70ns100nstcvpdCONV变换状态到省电模式50nstdrpCLK下降沿到CLK启动时间5usCLXDATAtcxptcxltcxhtcxdltcxdh图3.4CLK和串行传输关系3.3.3.2 SPI和QSP通信模式简介这种模式经常用在各种不同的微处理器中的。此时CONV接到任意的I/O口(在SPI中)或接到PCX脚(在QSPI中)。CLK可以接到串行时钟接口，DATA接到串行数据输入引脚如MISO (masterin slave out)。这段时间是在SPI和QSPI模式中触发CLK的CONV要保持低电平的最短时
41、间。系统拟采用的AVR公司的MEGA16单片机支持SPI的传输模式，所以此模式也可以选择作为数据采集系统的工作模式。图片3.5 SPI/QSP模式3.4 6N137芯片概述3.4.1 6N137的结构6N137是一块支持LSTTL/TTL两种方式的高速光电隔离器。其中包含了GaAsp的两极真空管和集成度一很高的检测器。高度集成的检测器中的光电二极管检测收集光子后用高增益线性放大器放大。整个过程维持常温，是实时且电压会自动补偿。6N137这款片在;交直流情况下都能进行隔离，也就是对LSTTL和TTL两种情况都是兼容的。芯片的工作温度可以在0-70之间。当芯片接5V的供电电源时，在输入端有微小的输
42、入如5mA时其输出端就会放大输出13mAo6N137的典型传输延迟时间时45ns。12345678图片3.6 6N137引角图（1）引脚功能：*1.脚NC；*5.脚GND，接地；*2. 脚ANODE；*6.脚OUTPUT 输出端；*3.CATHODE；*7.脚ENABLE；*4.脚NC. ；*8.脚VCC 接电源。（2）6N137特性：*速度可高达lOM bit/s；*5V供电，兼容LSTTL或TTL；*在高温下正常工作；*逻辑门电路输出；*超高隔离性能。可见所选的隔离芯片有很好隔离性能，而且前面的A/D校准曲线表中的LCD数据是在通过这个隔离芯片以后测的，从表中的数据可以看到，隔离对数据的精
43、确度基本没有影响。也就是在正确保证了数据的有效性之外提供了很好的隔离性。第4章 硬件电路设计4.1电源电路的设计完全隔离要求放大器两边的电源也必须隔离，因而电源同样设计为由不同绕线组引出的交流电处理而得。其中AD620, OP07, AD7835以及6N137的输入部分单独使用两路士12V和5V模拟电压;6N137的输出部分则使用另两路电源，从而将电源完全隔离开来。图4.1 电源电路图4.2 前置电路的设计4.2.1放大电路设计第一级AD620采用继电器RW1控制实现增益5，而当AD620开环时增益为1第二级OP07开环增益为1，而通过继电器RW2 RW6这5个继电器分别控制实现增益0.25,
44、 0.5,5,10,1000。图4.2 放大电路图4.2.2 A/D转换隔离电路设计经由前面二级放大后的模拟信号通过AD7835转换成数字信号，继而再通过光隔离芯片6N137进行隔离。从图下可以看到，AD7835的CONY、DATA，和CLK 3个端口是要通过单片机控制的，所以将此3个端口的输出信号都接入光隔离芯片进行隔离。因此，一路的信号需要3块隔离芯片。特别注意器件的GND的设计，在光隔芯片的信号输入端全部选择接入变压器交流分压而得的模拟地，而在光隔芯片的信号输出端则全部选择接入由单片机提供的数字地，从而确保了信号在经过光隔离芯片后的完全隔离。图4.3 A/D转换隔离电路图4.3 单片机控
45、制电路设计而对于三路通道的而言，三片AD的CONV和CLK可由PBl和PBO共同控制，系统硬件设计及实现而数据DATA则可分别接到PDO、PD2这三个端口。通过上面的硬件连接就能实现对三个通道的实时操作，可以同时采集三个通道的数据，而不用使用轮询的方式，就不会在数据变化较快时造成数据的丢失。使整个数据采集系统的灵敏度有了很大的提高。GND CONVGND DATAAin CLKVref +Vcc隔离PB1PD0PB0ADS7835CONVDATACLKATMEGA16图4.4 单片机控制简图4.4 外设电路设计为便于调试与使用，系统带有四个按键和一块LCD液晶显示屏，LCD为5*7点阵字符型，可显示2行字符，每行20字符。作为提供给用户的界面。LCD采用标准接法，键盘通过三态缓冲隔离后可由总线读入。 PB0 PB1 PA7-PA0按键地址选通 R/WE R