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第12章数据采集系统设计

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第12章数据采集系统设计
12.1 系统设计的基本原则
12.1.1硬件设计的基本原则
-1.经济合理系统硬件设计中、一定要注意在满足性能指标的前提下,尽可能地降低价格,以便得到高的性能价格比、这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素,也是一个产品争取市场的主要因素之一.
-2 安全可靠选购设备要考虑环境的温度,湿度,压力、振动,粉尘等要求,以保证在规定的工作环境下,系统性能稳定,工作可靠.要有超量程和过载保护,保证输人、输出通道正常工作.要注意对交流市电以及电火花等的隔离.要保证连接件的接触可靠.
-3. 有足够的抗干扰能力有完善的抗干扰措施,是保证系统精度,工作正常和不产生错误的必要条件.例如强电与弱电之间的隔离措施,对电磁干扰的屏蔽,正确接地,高输人阻抗下的防止漏电等.软件设计的基本原则
-1.结构合理程序应该采用结构模块化设计.这不仅有利于程序的进一步扩充、而且也有利于程序的修改和维护.
-2 操作性能好使用方便.
-3 具有一定的保护措施系统应设计一定的检测程序,例如状态检测和诊断程序,以便系统发生故障时,便于查找故障部位.对于重要的参数要定时存储,以防止因掉电而丢失数据.
-4.提高程序的执行速度
-5.给出必要的程序说明
12.2 系统设计的一般步骤
1,分析问题和确定任务在进行系统设计之前、必须对要解决的问题进行调查研究,分析论证、在此基础上,根据实际应用中的问题提出具体的要求,确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标,确定调试系统和开发软件的手段等.另外,还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数,初步定出系统设计的技术路线.
2,确定采样周期Ts 采样周期Ts决定了采样数据的质量和数量.利用采样定理来确定采样周期.
3.系统总体设计在系统总体设计阶段,一般应做以下几项工作.-(1) 进行硬件和软件的功能分配-(2) 系统AD通道方案的确定-(3) 确定微型计算机的配置方案-(4) 操作面板的设计-(5) 系统抗干扰设计(1)进行硬件和软件的功能分配一般来说,多采用硬件,可以简化软件设计工作,并使系统的速度性能得到改善,但成本会增加,同时,也因接点数增加而增加不可靠因素.若用软件代替硬件功能,可以增加系统的灵活性,降低成本,但系统的工作速度也降低.要根据系统的技术要求,在确定系统总体方案时进行合理的功能分配.
(2)系统AD通道方案的确定-1模拟信号输人范围,被采集信号的分辨率;-2完成一次转换所需的时间;-3模拟输入信号的特性是什么,是否经过滤波,信号的最高频率是多少;-4模拟信号传输所需的通道数;-5多路通道切换率是多少,期望的采样保持器的采集时间是多少;-6在保持期间允许的电压下降是多少;-7通过多路开关及信号源串联电阻的保持器旁路电流引起的偏差是多少;-8所需精度(包括线性度,相对精度,增益及偏置误差)是多少;-9当环境温度变化时,各种误差限制在什么范围,在什么条件下允许有漏码;-10各通道模拟信号的采集是否要求同步;-11所有的通道是否都使用同样的数据传输速率;-12数据通道是串行操作还是并行操作;-13数据通道是随机选择,还是按某种预定的顺序工作;-14系统电源稳定性的要求是什么,由于电源变化引起的误差是多少;-15电源切断时是否可能损坏有关芯片(对CMOS的多路开关是安全的,因为当电源切断时,多路开关是打开的;而对结型FET多路开关是接通的,因此有损坏芯片的可能.
(3) 确定微型计算机的配置方案可以根据具体情况,采用微处理器芯片,单片微型机芯片,单板机、标准功能模板或个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机.选择何种机型,对整个系统的性能,成本和设计进度等均有重要的影响.
(4) 操作面板的设计-①输人和修改源程序;-②显示和打印各种参数-③工作方式的选择;-④启动和停止系统的运行.为了完成上述功能,操作面板一般由数字键,功能键,开关,显示器件以及打印机等组成.
(5) 系统抗干扰设计对于数据采集系统,其抗干扰能力要求一般都比较高.因此,抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程,要在系统总体设计时统一考虑.4硬件和软件的设计(1)硬件设计硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心、设计出与其相配套的电路部分,经调试后组成硬件系统.采用单片机的硬件设计过程.-①明确硬件设计任务-为了使以后的工作能顺利进行、不造成大的返工,在硬件正式设计之前、应细致地制定设计的指标和要求,并对硬件系统各组成部分之间的控制关系,时间关系等作出详细的规定.-②尽可能详细地绘制出逻辑图,电路图-当然,在以后的实验和调试中还要不断地对电路图进行修改、逐步达到完善.--③制作电路和调试电路-按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试,通过调试,找出硬件设计中的毛病并予以排除,使硬件设计尽可能达到完善.调试好之后,再设计成正式的印刷电路板.
(2)软件设计-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-a 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.-b 调试程序时,在程序中插人断点、分段运行、逐段排除错误.-c 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),供今后使用.5系统联调在实验室,现场测试各项性能指标.
12.6 数据采集系统设计实例单片机温度数据采集系统本系统是一个以8031单片机为核心组成的数据采集系统,可用于过程控制和工业设备中对温度,压力等参数的实时采集,也可作为智能仪表或集散型测控系统的子系统.1系统性能指标
-(1)温度测量范围:0℃~120℃、超范围时声光报警.
-(2)温度检测精度:0.5℃.
-(3)压力测量范围:OPa~Pa,超范围时声光报警.
-(4)压力检测精度:正负Pa.-(5)用9位LED显示测量值,其中4位显示温度值(3位整数,1位小数),1位显示湿度代号T,1位显示压力代号P,3位显示压力值.-(6)每分钟检测一次.2硬件的考虑(1)系统的配置和电路框图
①输入通道的配置-a检测电路-由于所测温度和压力都很低,可选用热敏电阻和电阻应变片作传感器,但需配置信号放大器并设定满量程温度为125℃、满量程压力为Pa.因为在满量程范围内、如选用8位AD转换器,其测温精度为0.49℃、测压精度为Pa,因此既满足了系统所要求的测温和测压精度,又有利于降低硬件的成本和超限的监视.-b.巡回采样电路-由于采样速率很低(1次min),要求的精度也不高,所以可认为被测物理量变化比较缓慢.如选用逐次逼近型AD转换器,其转换时间一般为几十微秒至一百多个微秒,因此完全可以不要保持电路.选用8路模拟开关作巡回采样开关,开关的切换速率要大于AD转换速率,以保证8路共用一个AD转换器情况下能正常工作.
②输出通道8个物理量超限共用一个电声报警,以提请操作人员注意,至于哪一个物理量超限则用指示灯和LED显示.
③系统控制机系统控制机采用单片机.为提高单片机处理数据的能力、其巡回检测定时以中断方式报时,一分钟由单片机内定时计数器通道完成.
(2)器件性能指标和型号的选择原则
①压敏电阻和应变片电阻的选择-a应使其量程大于或等于系统所要求的量程.-b 线性度,精度要高于系统要求的精度.-C 压敏电阻和电阻应变片的阻值取得低些有利于提高抗干扰能力、但对基准电源的负载能力要求也增高.因此,在满足抗干扰能力的前提下应尽量取大值
②信号放大通常是采用测量放大器.对于高
精度弱信号的检测,一般用二级放大器:第一级采用测量放大器,以提高输入通道的共模抑制比;第二级一般为运算放大器,以将第一级的输出信号放大至满足AD转换器所要求的输人电压变换范围(通常单极性为OV~5V或OV~10V,双极性为一5V~5V或一10V~10V) 如果测试现场干扰很强、有时还要用隔离放大器.),
③为简化印刷板布线,可选用带有多路开关的AD转换器(如ADC0809).
④声,光报警通道中、由于每一个通道只需一个状态就可实现一路的报警,所以用一个8位数字锁存器即可满足需要.3软件设计由于采样周期很长,为简化程序,采取待8个通道数据全部采样结束后,再对各通道数字量进行标度变换并送显示.例如本系统将数字量FFH分别标定为125度和Pa,所以,必须通过软件将实测的数字量变换为对应的温度值和压力值,即分别
要进行以下运算:Tx=Xn式中Xn为实测的数字量(经AD转换后用十进制表示的数字量).Tx,Px分别为相应的温度值和压力值(十进制数).为了提高抗干扰能力、将采样值经中值滤波后再进行相应的变换与显示.因此该系统的
软件包含以下方面的程序:-①主程序.担负初始化任务(包括对8031单片机初始化和设置存储采样数据的存储区-指针以及设置存储中值滤波结果的存储区指针)和报警,显示等任务.-②中断服务程序.包含定时lmin到的中断服务程序和AD转换结束中断服务程序.-③子程序.包括将十进制数转换为BCD码的子程序,标度变换子程序等.本章作业复习本课程所介绍的相关内容.总结数据采集系统的组成情况及各部分你认为重要的内容.并设计一个实用的数据采集系统(框图级)本作业以文本形式上交.上缴日期另行通知.

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