基于ARM7芯片LPC2388的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于arm7芯片lpc2388的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1緒論1.1課題的背景及研究意義 隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，化工、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及科研的各個(gè)領(lǐng)域中，都必須對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理。人們通常根據(jù)采樣定理將傳感器送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集可以說(shuō)是數(shù)字信號(hào)處理的核心，數(shù)據(jù)采集的好壞直接影響接下來(lái)的工作。數(shù)據(jù)采集的目的在于檢測(cè)電量或物理量，例如電壓、電流、溫度、壓力、液位等。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理芯片和軟件等。社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)智能型越來(lái)越高，實(shí)時(shí)性也越來(lái)越好，數(shù)據(jù)采集的精

2、度和速度也越來(lái)越高，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求。例如雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、航天導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)影像等很多場(chǎng)合都需要進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。在這些需要高精度測(cè)量的系統(tǒng)中測(cè)量結(jié)果可謂失之毫厘謬以千里。除了對(duì)數(shù)據(jù)采集的基功能外，還必須針對(duì)不同行業(yè)領(lǐng)域、不同采集環(huán)境實(shí)現(xiàn)多種功能模式、多種量程范圍、多種控制方法等。另外，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，便攜式解決方案在數(shù)據(jù)采集中開始占據(jù)越來(lái)越大的比重，并越來(lái)越多的開始傾向于低電壓、低功耗、微型化設(shè)計(jì)。因此數(shù)據(jù)采集儀表的種類越來(lái)越得多，更新速度也越來(lái)越快。通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能滿足專門的場(chǎng)合，這就迫使許多公司開發(fā)出各種專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的數(shù)

3、據(jù)采集系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)采集卡。近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到飛速發(fā)展，同時(shí)usb技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)及無(wú)線通訊等技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用使其接口方式得到了拓展，便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來(lái)越受到用戶的親睞。單片機(jī)、arm、dsp、fpga多種微處理器的應(yīng)用使數(shù)據(jù)采集卡市場(chǎng)百家齊放。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡市場(chǎng)主要有國(guó)外公司主導(dǎo)，高速和高精度方面尤為突出。日本東京測(cè)器研究所生產(chǎn)的tds-150便攜式數(shù)據(jù)記錄儀是一種靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)量通道達(dá)50個(gè)，具有休眠間隔定時(shí)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量，配有usb和rs-233端口，可讀取各種測(cè)量設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)并傳輸?shù)诫娔X里。美國(guó)ni公司的co

4、mpactdaq與以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，將高速數(shù)據(jù)采集的范疇擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室乃至全球的遠(yuǎn)程傳感器和電子測(cè)量，與labview軟件緊密集成，能以較少的開發(fā)投入換取最高的性能。國(guó)內(nèi)公司的產(chǎn)品較之國(guó)外產(chǎn)品在通用性、穩(wěn)定性方面還有很大差距，隨著國(guó)內(nèi)公司研發(fā)資金和技術(shù)的投入，開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已達(dá)到比較高的水平。如深圳創(chuàng)智聯(lián)科技發(fā)展有限公司開發(fā)的ptf100,其檢測(cè)功能是溫度、壓力和流量的組合。石家莊鐵道學(xué)院和鐵道部襄樊內(nèi)燃機(jī)廠聯(lián)合研制的液壓系統(tǒng)診斷儀等儀器均有多參數(shù)診斷功能，并國(guó)內(nèi)多家公司采用。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1） 利用各種微控制芯片來(lái)處理，采集速度越來(lái)越快，精度越來(lái)越高。（2） 系統(tǒng)向著多

5、參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。（3） 系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度不斷提高。（4） 系統(tǒng)功耗不斷降低，可擴(kuò)展性不斷提高。1.3 論文主要內(nèi)容本論文在分析國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮到數(shù)據(jù)采集的速度、精度和可擴(kuò)展性，選用了philips公司的arm7控制器lpc2388，設(shè)計(jì)出一套通用性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)高速高精度數(shù)據(jù)采集、顯示和傳輸?shù)裙δ?。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，將系統(tǒng)劃分為不同模塊，研究了基于arm7芯片lpc2388的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的高精度采集、顯示及傳輸功能。（2）利用24位精度ads1255芯片通過(guò)spi協(xié)議實(shí)現(xiàn)

6、高精度的數(shù)據(jù)采集。（3）通過(guò)控制st7920實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。（4）通過(guò)以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)串口通信。2 高精度數(shù)據(jù)采集儀的原理介紹2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述2.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定義將被測(cè)系統(tǒng)的各種模擬參量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理顯示的過(guò)程稱為數(shù)據(jù)采集，而相應(yīng)的系統(tǒng)則為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及控制等工作。它與傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以使許多抽象的模擬量數(shù)字化，進(jìn)而給出其量值或通過(guò)信號(hào)處理對(duì)該模擬量進(jìn)行分析。與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)具有精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，

7、因此數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如溫度、壓力、位置、流量等模擬量可以通過(guò)不同類型的傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)模擬量（如電壓、電流或電脈沖等），再通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理將信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc），使其轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào)送給數(shù)字信號(hào)處理器或微處理機(jī)。在過(guò)去的幾年中，無(wú)線通訊領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因采用有線傳輸方式而存在的布線困難、信號(hào)易受干擾、升級(jí)維護(hù)不方便等問(wèn)題，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了無(wú)線通訊技術(shù)?，F(xiàn)如今，基于zigbee、3g和wifi的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)研究正在如火如荼的進(jìn)行之中。2.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的形式多種多樣，用途和

8、功能也各不相同。常見的分類方法有以下幾種：根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能分類：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分配；根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境分類：隔離型和非隔離型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制功能分類：智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和非智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；根據(jù)模擬信號(hào)性質(zhì)分：電壓信號(hào)和電流信號(hào)，高電平信號(hào)和低電平信號(hào)，單端輸入（se）和差動(dòng)輸入(de),單極性和多極性；根據(jù)信號(hào)通道的結(jié)構(gòu)方式分：?jiǎn)瓮ǖ婪绞?、多通道方式?.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式從硬件方面看，目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、模擬多路開關(guān)，

9、程控放大器、采樣保持器、ad轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。集散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)物，它由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集站”和一臺(tái)上位機(jī)和通訊線路組成。數(shù)據(jù)采集站一般是由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置組成，位于待測(cè)對(duì)象附近，可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)，還可將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)形式傳送給上位機(jī)。2.1.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求與具體應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境著密切關(guān)系，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用情況往往有不同的要求，主要有以下幾個(gè)指標(biāo)：系統(tǒng)精度、系統(tǒng)分辨率、采樣速度、動(dòng)態(tài)范圍以及非線性失真。其中系統(tǒng)分辨率是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小變化量。系統(tǒng)精度是指工作在額定采樣速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。

10、其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。其中系統(tǒng)精度和系統(tǒng)速度為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所追求的主要性能指標(biāo)。對(duì)任何量值的測(cè)量都要有一定的精確度要求，否則將失去采集意義；提高數(shù)據(jù)采集的速度不僅可以提高工作效率，更重要的是可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用范圍，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試。其它的還有諸如便攜性、低功耗和可靠性的要求等。2.2數(shù)據(jù)采集基本原理 電壓、溫度、壓力這些信號(hào)都是模擬量，它們是隨時(shí)間變化而連續(xù)變化的。而微處理器系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算時(shí)使用的是數(shù)字量，這就必須將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。因此，通常需要在電路前端加上模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換器，即adc（analogy to digital converter）。在ad轉(zhuǎn)換過(guò)程中

11、，因?yàn)檩斎氲哪M量在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字量在時(shí)間上是離散的，因此需要在某些選定的時(shí)間點(diǎn)上對(duì)模擬量進(jìn)行采樣，把這些采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。一般的ad采樣過(guò)程是通過(guò)采樣保持、量化、編碼這三個(gè)步驟完成的。即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化成一系列等間距的脈沖，脈沖的幅度取決于模擬量的大小，并按一定的編碼格式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.2.1采樣定理現(xiàn)代通信原理已經(jīng)證明，為了保證能從采樣信號(hào)vs恢復(fù)原信號(hào)vi,必須滿足采樣定理，即fs2fimax(2-1)式2-1中，fs為采樣頻率，fimax為輸入模擬信號(hào)vi的最高頻率。在滿足采樣定理的前提下可以用一個(gè)低通濾波器將信號(hào)vs還原成vi，低通濾波器的頻率特性|a（

12、f）|在低于fimax的范圍內(nèi)保持不變，而在fs-fimax之前迅速下降為0，因此采樣定理規(guī)定了采樣頻率下限，在工程設(shè)計(jì)中通常取fs=(35)fimax。2.2.2量化在ad轉(zhuǎn)換過(guò)程中，用數(shù)字量表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)，必須將采樣的電壓值表示為某個(gè)最小單位的整倍數(shù)，這個(gè)過(guò)程叫量化。這個(gè)最小單位稱為量化單位，用表示。量化過(guò)程中必然存在誤差，這種誤差叫做量化誤差。2.2.3編碼 把量化得到的結(jié)果用二進(jìn)制表示出來(lái)，稱為編碼。編碼的最低有效位（lsb）所代表的數(shù)量大小等于。2.3 信號(hào)調(diào)理電路概述信號(hào)調(diào)理是連接被測(cè)控對(duì)象和檢測(cè)與控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響到測(cè)控系統(tǒng)的控制性能。信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單的

13、說(shuō)就是將待測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路一般分為放大部分和濾波部分。如圖2-1所示： 前置差分放大器低通濾波器ad轉(zhuǎn)換器圖2-1 信號(hào)調(diào)理電路2.3.1 放大部分 在測(cè)量系統(tǒng)中，通常被測(cè)物理量均通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大。因此傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻并不是常量，他們隨所測(cè)物理量變化而變化。這樣，對(duì)于放大器而言，信號(hào)源內(nèi)阻是變量，放大器的放大能力將隨信號(hào)的大小而變化。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器輸入阻抗加大，這樣經(jīng)信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就越小。此外，傳感器所獲得的信號(hào)通

14、常為差模小信號(hào)，并含有較大的共模部分，且其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器具有較強(qiáng)的共模信號(hào)抑制能力。介于以上特點(diǎn)，應(yīng)該采用具有高輸入阻抗和高共模抑制比的儀表放大器作為采集系統(tǒng)的放大部分。（1）儀表放大器概述儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器,且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn),使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸出和相對(duì)參

15、考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的兩個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置。（2）儀表放大器的構(gòu)成及原理儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。它主要由兩級(jí)差分放大電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放a1，a2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比(

16、即共模抑制比cmrr)得到提高。這樣在以運(yùn)放a3為核心部件組成的差分放大電路中，在cmrr要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻r3和r4，rf和r5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。 圖2-2 儀表放大器目前儀表放大器的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：一類由分立元件組合而成；一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。2.3.2 濾波部分濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念，濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波兩種。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。常見的濾波

17、器的分類：（1）按通頻帶分類如下：當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做高通濾波器。當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做低通濾波器。當(dāng)只允許信號(hào)中某個(gè)頻率范圍通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫帶通濾波器。（2）按濾波階次分類濾波的階數(shù)就是指過(guò)濾諧波的次數(shù)。一般地講，同樣的濾波器，其階數(shù)越高濾波效果就越好。目前有一階、二階和高階濾波器。（3）按所用元件分類若濾波電路元件僅由無(wú)源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無(wú)源濾波電路。若濾波電路不僅由無(wú)源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放）組成，則稱為有源濾波電路。無(wú)源濾波電路無(wú)源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，一般無(wú)

18、源濾波只通過(guò)電感和電容的匹配對(duì)某次諧波并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構(gòu)成一個(gè)低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會(huì)流入系統(tǒng)。無(wú)源濾波的優(yōu)點(diǎn)為成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟，容量大。缺點(diǎn)為諧波濾除率一般只有80，對(duì)基波的無(wú)功補(bǔ)償也是一定的。且它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。無(wú)源濾波電路通常用在功率電路中，比如直流電源整流后的濾波，或者大電流負(fù)載時(shí)采用lc（電感、電容）電路濾波。有源濾波電路有源濾波電路的負(fù)載不影響濾波特性，因此常用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。有源濾波電路一般由rc網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時(shí)還可

19、以進(jìn)行放大。但電路的組成和設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場(chǎng)合，只適用于信號(hào)處理。2.4 a/d轉(zhuǎn)換器概述2.4.1 a/d轉(zhuǎn)化器的主要參數(shù)指標(biāo) 由于單片機(jī)、arm、dsp等微控制器芯片的運(yùn)行速度不斷提高，數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，這就要求也能滿足高速、高精度的要求。主要電氣參數(shù)如下：（1）分辨率ad轉(zhuǎn)換器的分辨率是指能夠區(qū)分的最小單位輸入模擬量。它表示了ad轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨力，通常以輸出二進(jìn)制值的位數(shù)表示。在輸入信號(hào)一致時(shí)，分辨率位數(shù)越多，分辨力越高。常用的adc有8位，10位，12位，16位，24位，32位等。一個(gè)n位adc分辨率為被測(cè)電壓最大值除以2的n次方。（2）轉(zhuǎn)

20、換精度ad轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論值的差異叫轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)用百分比和最低有效位（lsb）表示時(shí)，它叫做相對(duì)精度。需注意的是分辨率與精度沒(méi)有直接關(guān)系，分辨率描述的刻度劃分的，它反映了區(qū)分最小信號(hào)的能力；而精度是用來(lái)表示準(zhǔn)確性的，它反映了器件描述物理量的準(zhǔn)確程度。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速率ad轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換速率是指在保證輸出的數(shù)字信號(hào)跟蹤輸入的模擬量且沒(méi)有增加誤差的情況下，輸入信號(hào)允許輸入的最大變化率。對(duì)于大部分ad轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間是倒數(shù)關(guān)系，即轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。但對(duì)于簡(jiǎn)單的adc來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換速率等于采樣保持捕獲時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間之和的倒數(shù)。此外，對(duì)于一些高速的

21、adc，由于采用了流水線等技術(shù)，轉(zhuǎn)換速率比轉(zhuǎn)換時(shí)間快得多。2.4.2 a/d轉(zhuǎn)換器的分類 （1）積分性ad轉(zhuǎn)換器 積分性a/d轉(zhuǎn)換器基于間接ad轉(zhuǎn)換技術(shù)，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成頻率（脈沖頻率）或者時(shí)間（脈沖寬鍍信號(hào)），然后由定時(shí)/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。它具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、造價(jià)低的特點(diǎn)，常用于低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如溫度、濕度、重量等儀表上。 （2）逐次比較型ad轉(zhuǎn)換器 它是一種直接ad轉(zhuǎn)換技術(shù)，它由比較器、d/a轉(zhuǎn)換器、控制邏輯和逐次寄存器等構(gòu)成。取一數(shù)字量加在一d/a轉(zhuǎn)換器上，從最高位開始，順序的將輸入電壓逐一與d/a轉(zhuǎn)換器結(jié)果進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較直到兩模擬電壓相等為止。在中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能儀

22、器儀表等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。這種ad轉(zhuǎn)換器具有速度快、精度高、功耗低等特點(diǎn)。（3）并行比較型ad轉(zhuǎn)換器 并行比較型adc的轉(zhuǎn)換速度最快，轉(zhuǎn)換原理也最直觀。采樣多個(gè)比較器，n位轉(zhuǎn)換需要2的n次方減1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模大，要獲得分辨率比較高的adc是比較困難的。它的轉(zhuǎn)換速度極快，但造價(jià)極高，在高速數(shù)據(jù)采集如圖像處理、數(shù)字通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。（5） -型ad轉(zhuǎn)換器 -型ad轉(zhuǎn)換器由比較器、積分器、da轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間信號(hào)（脈沖快度），在經(jīng)數(shù)字濾波器后得到數(shù)字量。電路容易集成到一個(gè)芯片上，因此容易做到高分辨率。-型ad轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用在高分辨率場(chǎng)合，如音頻、測(cè)量等場(chǎng)合。2

23、.5 adr431b簡(jiǎn)介ad的原理是將基準(zhǔn)電壓分成2的n次方與輸入電壓進(jìn)行n次方比較。如24位ad就要進(jìn)行24次比較，得到24個(gè)0、1。因此基準(zhǔn)電壓的好壞直接影響著轉(zhuǎn)換結(jié)果的精確度。adr43x是xfet系列基準(zhǔn)電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。利用adi的溫度漂移曲率校正專利技術(shù)和xfet（外加離子注入場(chǎng)效應(yīng)管）技術(shù)，可以使adr43x電壓隨溫度變化的非線性度降至最小。與嵌入式齊納基準(zhǔn)電壓源相比，xfet基準(zhǔn)電壓源能以更低的功耗(800 a)。它可在4.5v到18v的寬電壓范圍內(nèi)工作。另外，其無(wú)需外部電容、低溫度系數(shù)、寬工作電壓、高輸出源電流和吸電流等優(yōu)點(diǎn)使其成為一款高性能基準(zhǔn)源。

24、adr431b是2.5v基準(zhǔn)源，其溫度系數(shù)為3ppm/,精確度為1mv，精度達(dá)到0.04%。是一款極高性能的基準(zhǔn)源，常用于高精度模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)源。2.6系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)首先，經(jīng)各種傳感器采集得到的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波送入ad轉(zhuǎn)換器進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)控制芯片處理后進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。最后通過(guò)以太網(wǎng)模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。而微控制器本身要正常工作需要加以電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，并且開發(fā)程序時(shí)需要調(diào)試電路。因此本設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2-3所示： 電源電路顯示模塊通信模塊時(shí)鐘電路鍵盤電路復(fù)位電路微控制器存儲(chǔ)器擴(kuò)展ad轉(zhuǎn)換器調(diào)理電路調(diào)試接口圖2-3總體設(shè)計(jì)框圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控

25、制器3.1.1主控制器選型目前，常用控制芯片有arm、dsp、fpga和各種單片機(jī)。如今，嵌入式設(shè)備已經(jīng)融入到我們生活的方方面面，如手機(jī)、汽車、無(wú)線通通訊和個(gè)人助理等。arm處理器（advanced risc machines）是現(xiàn)在世界上應(yīng)用最廣泛的32位處理器之一，它體積小、成本低、功耗低、可靠性高、資源豐富，是嵌入式設(shè)備的核心。據(jù)調(diào)查，基于arm的處理器已占據(jù)了32位risc芯片的75%的市場(chǎng)份額，可以說(shuō)arm技術(shù)幾乎無(wú)處不在。arm處理器通常具有以下特點(diǎn)：（1）采用流水線技術(shù)，提高了處理器核的效率和吞吐率。通過(guò)鎖相環(huán)（pll）技術(shù)來(lái)倍頻時(shí)鐘。（2）多重ahb總線，使ahb系統(tǒng)可以同步進(jìn)

26、行而不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。（3）具有在系統(tǒng)編程（isp）和在應(yīng)用編程（iap）功能，無(wú)需使用昂貴的編程器和仿真裝置。（4）大容量的片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器和sram，可以進(jìn)行高性能的cpu訪問(wèn)，使其工作更加可靠。支持外部存儲(chǔ)器，如：nand flash、sram和sd卡等，可以進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。（5）內(nèi)置pwm、ad、da等功能單元，可以不外接轉(zhuǎn)換裝置而對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理和控制。定時(shí)計(jì)數(shù)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、中斷系統(tǒng)等內(nèi)部重要資源得到了大幅度提升，時(shí)期更適合實(shí)時(shí)控制。（6）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信功能，芯片內(nèi)置了通用串行接口（usart）、同步串行接口（spi）、兩線串行總線接口（i2c）、can總線接口、usb接口、

27、以太網(wǎng)接口，支持otg和dma功能。一般單片機(jī)是8位單片機(jī)，最高工作頻率只有40mhz，而arm7是32位處理器，經(jīng)pll倍頻以后最高工作頻率可達(dá)72mhz?？紤]到系統(tǒng)要以較高精度較高速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，arm7的寄存器足夠大，可以一次把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入寄存器，片上資源多，性價(jià)比較高，因此選用arm7芯片不失為一個(gè)好的選擇。為了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和今后研究學(xué)習(xí)的需要，搭建的硬件平臺(tái)具有較多的資源，如多個(gè)uart口、can、usb、以太網(wǎng)、sd卡、無(wú)線通訊等。考慮到數(shù)據(jù)處理的速率和實(shí)時(shí)性，與液晶進(jìn)行并口通訊，需要較多的i/o管腳?？紤]到編寫程序、處理數(shù)據(jù)的方便性和為了未來(lái)移植操作系統(tǒng)的需要，需要較大的fl

28、ash存儲(chǔ)器和sram。因此選用較高端的arm7芯片lpc2388。lpc2388是philis公司生產(chǎn)的基于實(shí)時(shí)仿真的32位arm7tdmi-s微處理器，適用于為了各種需要而進(jìn)行通訊的應(yīng)用。它包含了4個(gè)uart、1個(gè)spi、2個(gè)同步串行端口（ssp）、3個(gè)i2c接口、2路can通道、1個(gè)i2s接口、10/100ethernet mac、usb2.0等接口并支持otg等功能。 lpc2388具有高達(dá)512k的flash存儲(chǔ)器和96k的sram。flash在arm的局部總線上，能夠進(jìn)行高性能的cpu訪問(wèn)：有兩個(gè)ahb系統(tǒng)，可以同步進(jìn)行ethernet dma、usb dma和片內(nèi)flash執(zhí)行程

29、序；先進(jìn)的中斷向量控制器，可以支持多大32個(gè)中斷，還具有通用定時(shí)器、rtc、看門狗等功能模塊。lpc2388的工作電壓一般3.0v3.6v，有空閑、睡眠、掉電和深度掉電等四個(gè)低功耗模式：內(nèi)部有4mhz的rc振蕩器，可選擇作為系統(tǒng)時(shí)鐘，片內(nèi)pll可使系統(tǒng)時(shí)鐘最高工作在72mhz；封裝為lqfp144。以上這些特點(diǎn)使它非常適合工業(yè)控制等領(lǐng)域。lpc2388管腳如圖3-1所示：圖3-1 lpc2388管腳圖如2.6系統(tǒng)總體方案所示，本系統(tǒng)要用到lpc2388的spi、usb、ethernet等模塊。其相應(yīng)管腳簡(jiǎn)述如下：sck：串行時(shí)鐘口。此端口作為串行通訊的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)同步發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸。

30、此時(shí)鐘信號(hào)只可由主設(shè)備發(fā)送，從設(shè)備接收。ssel：從設(shè)備選擇端。當(dāng)ssel端為低電平時(shí)，表明與其相連的相應(yīng)設(shè)備被選中從而可參與數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸之前ssel必須為低電平并且通常在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都保持低電平。如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中ssel變?yōu)楦唠娖?，則傳送的數(shù)據(jù)就會(huì)出錯(cuò)。miso：主入從出端口。當(dāng)設(shè)備為選中的從設(shè)備時(shí)，待傳送的數(shù)據(jù)從此管腳輸出。相反，主設(shè)備從此引腳上讀數(shù)據(jù)。當(dāng)從設(shè)備未被選中時(shí)，該引腳為高阻態(tài)。mosi：主出從入端。當(dāng)設(shè)備為主設(shè)備時(shí)，待傳送的數(shù)據(jù)從此端口輸出；選中的從設(shè)備從此管腳上讀傳送數(shù)據(jù)。enet_tx_en:數(shù)據(jù)發(fā)送允許信號(hào)enet_txd1:0：發(fā)送數(shù)據(jù)enet_rx

31、d1:0:接收數(shù)據(jù)enet_rx_er：接受出錯(cuò)信號(hào)enet_crs：載波偵聽有效enet_ref_clk:參考時(shí)鐘enet_mdo：miim（媒體獨(dú)立接口管理）時(shí)鐘enet_mdio：mi數(shù)據(jù)輸入輸出3.1.2控制器最小系統(tǒng)控制器正常工作的必須構(gòu)成最小系統(tǒng)。由以上介紹可知此系統(tǒng)最小系統(tǒng)應(yīng)包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和jtag調(diào)試電路。（1） 電源電路電源模塊為整個(gè)裝置提供能量，由于是便攜式設(shè)計(jì)，因此采用電池供電。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，主控制器采用3.3v供電，ad轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器等模塊需要5v供電，若直接采用23節(jié)電池組供電，則一方面電池組輸出的電壓可能達(dá)不到所需要的5v電壓，另一方面電池電

32、壓的降低是非線性的，直接使用會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)非常大的非線性誤差。因此電源模塊還需要dc-dc升壓變換和穩(wěn)壓模塊。電源電路如圖3-2所示。本設(shè)計(jì)選用sipex公司的sp6641a -5v dc/dc升壓調(diào)節(jié)器，其靜態(tài)電流極低（10a），電池轉(zhuǎn)換效率高，寬電壓輸入范圍（0.9v4.5v），最低啟動(dòng)電壓為0.9v，并具有0.33a感應(yīng)電流限制模塊，固定輸出電壓3.3v或5.0v。1.3v輸入時(shí)，iout可達(dá)90ma（sp6641a-3.3）；2.6v輸入時(shí)，iout可達(dá)500ma（sp6614b-3.3）。本設(shè)計(jì)采用兩種供電方式：利用市電經(jīng)適配器后轉(zhuǎn)化為4.5v直流電后接入sp6614a；直接利用電池供

33、電。并且本設(shè)計(jì)方案是平時(shí)由電池供電，接入市電后由市電供電，電池停止供電。其硬件電路圖如圖3-2所示。方式一：市電經(jīng)一個(gè)220v轉(zhuǎn)4.5v電壓適配器將其轉(zhuǎn)化成4.5v直流電，為防止瞬時(shí)電壓高于4.5v，所以直流電經(jīng)二極管in4148降壓后送入sp6641a進(jìn)一步供給系統(tǒng)。in4148為硅二極管，正向?qū)▔航禐?.7v。方式二：選用3節(jié)干電池供電。3節(jié)干電池串聯(lián)理論電壓為4.5v，但由于電池存在誤差范圍，所以經(jīng)二極管降壓后再接入sp6614a對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。由于要實(shí)現(xiàn)市電接入時(shí)電池停止供電，因此電池要經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管串聯(lián)以使當(dāng)市電接入時(shí)電池截止。另外，經(jīng)過(guò)sp6614a得到的5v電壓再經(jīng)三端低壓差穩(wěn)

34、壓芯片as1117-3.3芯片轉(zhuǎn)化為3.3v電壓，同時(shí)利用4.7uf的電容對(duì)其進(jìn)行多重濾波。圖3-2 電源電路（2）時(shí)鐘電路時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作的脈搏，處理器在一拍接一拍的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下完成指令執(zhí)行、狀態(tài)變換等工作。外設(shè)部件在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下完成各種工作，例如串口數(shù)據(jù)收發(fā)、ad轉(zhuǎn)換、定時(shí)器技術(shù)等。所以通常時(shí)鐘對(duì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。lpc2000系列時(shí)鐘系統(tǒng)包括四個(gè)部分：晶體振蕩器、喚醒定時(shí)器、鎖相環(huán)（pll）和vpb分頻器。其相應(yīng)的晶振硬件接線圖如圖3-3所示。其中xtal1、xtal2引腳是系統(tǒng)晶振輸入端，rctx1、rctx2是內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振輸入端。圖3-3晶振電路（3）復(fù)位電路

35、復(fù)位是指將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件邏輯歸為為一個(gè)初始狀態(tài)，讓處理器從第一條指令開始執(zhí)行程序。lpc2000系列有兩個(gè)復(fù)位源：外部復(fù)位把reset引腳拉為低電平，并保持一個(gè)最小時(shí)間，引發(fā)復(fù)位?？撮T狗復(fù)位通過(guò)設(shè)置看門狗相應(yīng)寄存器，看門狗溢出后引發(fā)復(fù)位。本系統(tǒng)采用專用復(fù)位芯片cat825s來(lái)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)外部復(fù)位和上電復(fù)位兩種模式，復(fù)位門檻為2.93v，有高、低電平兩路復(fù)位信號(hào)輸出，每路復(fù)位信號(hào)有效電平時(shí)間維持至少140ms，在系統(tǒng)掉電時(shí)可向微控制器發(fā)出復(fù)位信號(hào)，適用于3.3v電源供電環(huán)境。cat825s共有5個(gè)引腳，每個(gè)引腳含義如下：:低電平有效復(fù)位信號(hào)輸出引腳reset：高電平有效復(fù)位輸出引腳：手

36、動(dòng)復(fù)位信號(hào)輸入引腳，低電平有效vcc、gnd：+3.3v電源引腳和地引腳其硬件電路圖如圖3-4所示：圖3-4 復(fù)位電路(4)jtag調(diào)試電路 調(diào)試接口不是系統(tǒng)運(yùn)行所必須的，但是在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)與實(shí)驗(yàn)階段，調(diào)試接口是必不可少的。lpc2388片內(nèi)有一個(gè)jtag調(diào)試接口，可以通過(guò)這個(gè)接口控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。jtag是基于ieee1149標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測(cè)試方法。其優(yōu)點(diǎn)是將復(fù)雜的印刷電路板測(cè)試變成具有良好結(jié)構(gòu)性、可以通過(guò)軟件簡(jiǎn)單靈活處理。jtag的目標(biāo)是在芯片內(nèi)建立測(cè)試實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。主控芯片通過(guò)jtag接口與仿真器接口進(jìn)行通信。接口電路如圖3-5所示： 圖 3-5 jtag調(diào)試電路主

37、要管腳作用如下：trst-n：測(cè)試復(fù)位?？捎糜趶?fù)位embeddedice邏輯中的tap控制器，低電平有效。tck：tap控制器使用的獨(dú)立于系統(tǒng)的時(shí)鐘tdi：測(cè)試的串行數(shù)據(jù)輸入tdo：測(cè)試的串行數(shù)據(jù)輸出tms：tap狀態(tài)機(jī)的模式選擇信號(hào)rtck：返回測(cè)試時(shí)鐘3.2 放大電路如2.3.1所述，本系統(tǒng)采用分立式元件組成的儀表放大器對(duì)其進(jìn)行放大。選用集成運(yùn)算放大器op07組合成儀用放大器。op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。op07的工作電源電壓范圍是3v22v，一般在正負(fù)雙電源下工作。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于op07a最大為25v），所以op07在很多應(yīng)

38、用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時(shí)具有輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對(duì)于op07a為300v/mv）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。如圖3-6所示，a1、a2、為輸入級(jí)， a3為輸出級(jí)，vin1接傳感器輸出端正極，vin2接傳感器輸出端負(fù)極。當(dāng)r9=r10、r11=r12、rf=r13時(shí)，根據(jù)虛短概念，輸入電壓是跨在rg兩端的vin1-vin2，然r9、r10與之串聯(lián)為同一電流，即：(vo1-vo2)/（r9+rg+r10）= (v1-v2)/rg簡(jiǎn)化之，vo1-vo2=（1+2r9/rg）(v1

39、-v2)a3為典型的差分電路，vo=(vo1-vo2)*rf/r11將兩式合并 vo=a(v2-v1)其中a=a1*a2=(1+2r9/rg)*(rf/r11)，a1、a2分別為第一、二級(jí)增益由以上計(jì)算可知，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變r(jià)g阻值實(shí)現(xiàn)。為便于計(jì)算，現(xiàn)設(shè)輸入的差模信號(hào)為05mv，考慮到濾波器放大倍數(shù)越低頻率特性越好，擬設(shè)計(jì)濾波電路為放大倍數(shù)為1的二階低通濾波器。而本設(shè)計(jì)所用的ad轉(zhuǎn)換器ads1255的輸入轉(zhuǎn)換電壓為05v，所以放大電路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為1000倍?？紤]到單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)大，噪聲會(huì)隨之增加，因此決定1000倍放大倍數(shù)由兩級(jí)電路承擔(dān)。設(shè)計(jì)前級(jí)電路放大50倍，后級(jí)放大20倍。現(xiàn)r

40、9、r10取常用的10k電阻，因?yàn)関o2-vo1=(1+2r9/rg)*（vin1-vin2），所以50=1+2r9/rg,得到rg約為408。又考慮到rg關(guān)系到前級(jí)放大倍數(shù)，前級(jí)放大不準(zhǔn)確在經(jīng)后級(jí)放大會(huì)產(chǎn)生更大的誤差，因此選用1k可調(diào)精密電阻。因?yàn)関o=（rf/r11）*（vo2-vo1），即20=rf/r11,如果選rf為100k，則r11=100k/20=5k5.1k，因?yàn)?.1k為常用電阻，則此方案可行。所以圖3-7中各電阻阻值為：r9=r10=10k、r11=r12=5.1k、rf=r13=100k、rg為10k的精密可調(diào)電阻。具體電路圖如圖3-8所示。 這樣通過(guò)調(diào)節(jié)rg，此放大電路

41、的放大倍數(shù)約在58.8倍392176倍范圍之內(nèi)，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)使得進(jìn)入ads1255的電壓范圍在05v之間。另外，op07是雙電源供電，而本系統(tǒng)只提供了+5v電源，因此需用進(jìn)行dc到dc的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用icl7660芯片，將+5v轉(zhuǎn)換為-5v。icl7660是maxim公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。icl7660主要應(yīng)用在需要從+5v邏輯電源產(chǎn)生-5v電源的設(shè)備中。只需外接10uf的小體積電容，效率可達(dá)98%。icl7660具體電路如圖3-7所示。圖3-7儀用放大器圖 3-8電源轉(zhuǎn)換電路3.3濾波電路如3.2所述，本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為1的二階有源低通濾波電路，且其截止

42、頻率為1khz。741型運(yùn)算放大器具有廣泛的模擬應(yīng)用，寬范圍的共模電壓和無(wú)阻塞功能可用于電壓跟隨器。典型的二階有源濾波電路如圖3-9所示。圖 3-9 典型二階有源低通濾波電路現(xiàn)有兩種計(jì)算電路參數(shù)的方法，簡(jiǎn)介如下。方法一：avf=1，設(shè)r1=r2，則n=c1/c2=4,q=，fc=1/（2），c1=2q/(r),c2=1/(2qr);方法二：設(shè)c1=c2=c，r1=r2=r，則q=1/(3-avf)，fc=1/(2)。由以上方法可知，方法二fc、q可分別由r、c值和運(yùn)放增益做變化來(lái)單獨(dú)調(diào)整，相互影響不大，因此該設(shè)計(jì)法對(duì)要求特性保持一定，fc在一定范圍內(nèi)變化的情況比較適用。本設(shè)計(jì)采用方法二，即設(shè)r

43、14=r15=r、c13=c14=c，考慮到電容的容量應(yīng)在微法數(shù)量級(jí)下，電阻器的阻值應(yīng)在幾百千歐以內(nèi)?，F(xiàn)選擇c13=c14=0.1uf，則可算出r14=r15=1/(2)=1000/（2）=1.59k，選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻1.6k，這與計(jì)算值有一點(diǎn)誤差，可能導(dǎo)致截止頻率比額定值稍有偏低。本方案依然使用op07運(yùn)放，其相應(yīng)的電路圖如圖3-10所示。另外，本電路的op07的5v雙電源供電，依然采用圖3-7所示的電源轉(zhuǎn)換電路。圖3-10 濾波電路3.4 a/d轉(zhuǎn)換電路3.4.1 a/d轉(zhuǎn)換器的選型指標(biāo)a/d轉(zhuǎn)換芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能，因此必須嚴(yán)格的選擇。adc的選

44、擇需要注意以下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)被測(cè)信號(hào)的速率選擇a/d轉(zhuǎn)換器。不同的場(chǎng)合需要的adc的精度是不同的。例如溫度、濕度等緩慢變化的場(chǎng)合需要低速a/d轉(zhuǎn)換器即可，而當(dāng)處理視頻、圖像等這些變化迅速的信號(hào)需要高速的adc來(lái)完成采集。（2）應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求的精度來(lái)選擇adc。系統(tǒng)的精度是一個(gè)綜合的概念，它包括多個(gè)指標(biāo)，如傳感器的精度、ad轉(zhuǎn)換器的精度及信號(hào)放大電路的精度等。選擇是要考慮這些綜合因素。（3）還應(yīng)考慮其他因素選擇adc。如主控芯片的處理速度、電源的精確度、成本以及主控芯片的通訊方式等。3.4.2 ad轉(zhuǎn)換器的選擇對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，系統(tǒng)要獲得較高精度還要有較高速度，同時(shí)考慮到應(yīng)用的普遍性，本設(shè)計(jì)

45、選用了texas instruments公司生產(chǎn)的24位兩通道的-的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1255。它是一款高性能的a/d轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成模擬多路開關(guān)（mux）、輸入緩沖器（buf）、可編程增益控制器(pga)、四階-調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等組成，具有極低噪聲，可滿足高精度的測(cè)量要求。其分辨率可以達(dá)到24bit，線性誤差可以達(dá)到0.0010%fs，有多種電源配置方式，它提供了2.5hz30khz之間的16種可供選擇的字輸出速率。本設(shè)計(jì)選擇的ads1255芯片封裝為ssop20，它抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低，特別適合包括科學(xué)儀器、醫(yī)療設(shè)備和稱重領(lǐng)域的單雙極小信號(hào)。主要特點(diǎn)如下：（1）24位無(wú)數(shù)據(jù)

46、丟失所有數(shù)據(jù)輸入和pga設(shè)置；（2）低線性度：0.001%；（3）高達(dá)23bit的無(wú)噪聲精度；（4）數(shù)據(jù)采樣率高達(dá)30ksps；（5）可設(shè)置為兩路單極輸入或一路差動(dòng)輸入；（6）模擬多路開關(guān)，具有傳感器檢測(cè)功能；（7）具有低噪聲可編程增益放大器，pga=1時(shí)，可提供高達(dá)25.3位的分辨率；pga=64時(shí)，可提供高達(dá)22.5位有效分辨率，并且所有的pga都具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；（8）帶有串行外設(shè)接口（spi）；（9）可編程數(shù)據(jù)濾波器；（10）輸入緩沖器；（11）模擬電壓輸入5v，數(shù)字電壓輸入1.83.6v；（12）正常模式電源消耗38mw，備用模式電源消耗0.4mw；ads1255提供3路模擬

47、輸入端，模擬多路開關(guān)寄存器的功能就是把其配置成1路差動(dòng)輸入或兩路單端輸入。默認(rèn)情況下，ads1255被配置為差動(dòng)輸入，通道0為正通道輸入，通道1為負(fù)通道輸入。作單級(jí)測(cè)量時(shí)，一般ain0、ain1作單極輸入，aincom作公共輸入端，但是不把a(bǔ)incom接地。輸入緩沖器用于在信號(hào)通路中隔離開關(guān)電容器陣列與外部電路，可以簡(jiǎn)化為一電阻。阻值為10m80m。內(nèi)部輸入緩沖由status寄存器中的buffer位控制。ads1255內(nèi)部的可編程增益放大器的放大倍數(shù)由adcon寄存器的pga0、pga1、pga2控制，pga的值在164之間。ads1255的內(nèi)部調(diào)制器是一個(gè)四階系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)部電容不斷的充放電來(lái)

48、測(cè)量輸入信號(hào)。四階調(diào)制器的輸出經(jīng)可編程低通濾波器后編程高精度的數(shù)字輸出。通過(guò)的濾波次數(shù)越多，精度越高，但速度下降。ads1255采用四線制（時(shí)鐘信號(hào)線sclk、數(shù)據(jù)輸入線din、數(shù)據(jù)輸出線dout、片選信號(hào)線/cs）的spi通訊方式。ads1255只能工作在spi通訊模式的從模式下，可以通過(guò)控制器來(lái)控制ads1255片上的寄存器，通過(guò)串口讀或?qū)戇@些寄存器。串口通訊時(shí)必須保持cs為低電平。在spi傳送過(guò)程中，數(shù)據(jù)被同步的發(fā)送或接受，sclk和din、dout同步移動(dòng)。din結(jié)合sclk用來(lái)向ads1255發(fā)送數(shù)據(jù)，在sclk的下降沿有效；dout結(jié)合sclk從ads1255讀取數(shù)據(jù)，在sclk的

49、上升沿有效。ads1255有2個(gè)通用數(shù)字i/o口d0、d1，都可以通過(guò)io口寄存器設(shè)置為輸入、輸出口。d0口還可以設(shè)置為一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器供別的設(shè)備使用。此時(shí)鐘還可以通過(guò)adcon寄存器的clk0、clk1設(shè)置成以fclkin、fclkin/2、fclkin/4工作。ads1255的主時(shí)鐘on過(guò)可以由一個(gè)外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器提供。一般晶振頻率為7.68m。ads1255的工作過(guò)程主要是通過(guò)對(duì)11個(gè)內(nèi)部獨(dú)立的寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)完成的，這些寄存器包括所有需要設(shè)置的信息，例如采樣率、模擬多路開關(guān)、pga設(shè)置和自校準(zhǔn)等。如表1所示為ads1255的幾個(gè)主要寄存器狀態(tài)，下面主要介紹幾個(gè)重要的寄存器設(shè)置： （1

50、）狀態(tài)寄存器status（地址00h），復(fù)位值為x1h。寄存器的搞4位id由出廠設(shè)定。order位為數(shù)據(jù)輸出順序選擇位：為0時(shí)數(shù)據(jù)輸出高位在先（默認(rèn)），為1時(shí)低位在先。acal位為自校準(zhǔn)選擇位：為0時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)關(guān)閉（默認(rèn)）；為1時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)開啟。bufen位為輸入緩沖選擇位：為0時(shí)輸入緩沖關(guān)閉（默認(rèn)）；為1時(shí)輸入緩沖開啟。位為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)位：此位完全復(fù)制引腳的狀態(tài)，引腳為低時(shí)表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束可以讀數(shù)據(jù)；高電平時(shí)表示沒(méi)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成或正在轉(zhuǎn)換，此時(shí)不能讀數(shù)據(jù)。（2）模擬多路開關(guān)寄存器mux(地址01h)，復(fù)位值為01h。plse3plse0為差動(dòng)信號(hào)正輸入端的選擇位，具體設(shè)置如下：0000=ain0

51、（默認(rèn)），0001=ain1；ain3ain0為差動(dòng)信號(hào)負(fù)輸入端選擇位,0000=ain0，0001=ain1（默認(rèn)）。（3）ad控制寄存器adcon(地址02h)，復(fù)位值20h。最高位沒(méi)用，始終為0。clk1、clk0為輸出時(shí)鐘選擇位:00=輸出時(shí)鐘關(guān)閉，01=fclkin（默認(rèn)），10=fclkin/2，11=fclkin/4.sdcs1、sdcs0傳感器檢測(cè)選擇位：00=傳感器檢測(cè)關(guān)閉，01=傳感器檢測(cè)檢測(cè)電流源為0.5a,10=傳感器檢測(cè)電流源為2a，11=傳感器檢測(cè)電流為10a。pga2pga0為可編程增益放大器放大倍數(shù)選擇位：000=1（默認(rèn)），001=2，010=4，011=8，

52、100=16，101=32，111=64。（4）數(shù)據(jù)速度寄存器drate（地址03h），復(fù)位值f0h。dir7dir0為數(shù)據(jù)速度選擇位：11110000=30ksps（默認(rèn)），11100000=15ksps，11010000=7.5ksps，11000000=3.75ksps，10110000=2ksps，10100001=1ksps，10010010=500sps，10010010=500sps，10000010=100sps，01110010=60sps，01100011=50sps，01010011=30sps，01000011=25sps，00110011=15sps，00100011

53、=10sps，01010011=30sps，01000011=25sps，00110011=15sps，00100011=10sps00010011=5sps，00000011=2.5sps。表1 ads1255內(nèi)部主要寄存器狀態(tài)地址 名稱 復(fù)位值 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit000 status x1h id3 id2 id1 id0 order acal bufen 01 mux 01h psel3 psel2 psel1 psel0 nsel3 nsel2 nsel1 nsel002 adcon 20h 0 clk1 clk0 sdcs1

54、sdcs0 pga2 pga1 pga003 drate f0h dr7 dr6 dr5 dr4 dr3 dr2 dr1 dr0在本設(shè)計(jì)中ads1255設(shè)置為單端輸入方式、mux寄存器為00h，為得到最佳轉(zhuǎn)換結(jié)果，status寄存器值設(shè)置為06h。本設(shè)計(jì)中我們采用參考電壓vref=2.5v，為了使2vref/pga接近輸入信號(hào)幅值并易于計(jì)算，可編程增益放大倍數(shù)的值設(shè)置為1。由于本設(shè)計(jì)對(duì)速率無(wú)過(guò)高要求，可將drate寄存器設(shè)置為00000011，采樣率為2.5sps，在此采樣率下不僅可以得到更高的精度，而且在此速率下可以抑制50/60hz的干擾信號(hào)噪聲及其諧波信號(hào)噪聲。3.4.3 ads1255

55、的硬件接線 ads1255需要提供低噪聲、低溫漂的基準(zhǔn)電壓。在此電路設(shè)計(jì)中采用了高精度穩(wěn)壓模塊adr431b基準(zhǔn)芯片提供高精度、高穩(wěn)定的2.5v參考電壓。adr431b的可以精確到1mv，精度可以達(dá)到千分之四。其電路圖如圖3-11所示。另外，ads1255數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的參考電源接法如圖3-12所示。圖3-11 adr431b電路圖圖3-12 ads1255推薦參考電源接法傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波之后進(jìn)入ads1255進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換。因?yàn)榻?jīng)濾波電路之后，信號(hào)是單端信號(hào)，所以ads1255設(shè)置為單端輸入。ads1255的cs、clk、dout、din、drdy管腳分別與arm7的p0.16（ss

56、el）、p0.15（sck）、p0.17(miso)、p0.18(mosi)、p2.11(eint1)相連。通信過(guò)程中必須保持為低電平狀態(tài)。數(shù)據(jù)有效信號(hào)用來(lái)指示轉(zhuǎn)換是否完成，它在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中為高電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)ads1255完成一次轉(zhuǎn)換后drdy端發(fā)出一低電平，int1端口檢測(cè)到信號(hào)向cpu申請(qǐng)中斷，cpu響應(yīng)中斷進(jìn)行處理。其硬件接線圖如圖3-13所示。圖3-13 ads1255硬件接線圖3.5 通信模塊以太網(wǎng)指的是由xerox、intel和dec公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)協(xié)議（csma/cd），是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最普遍的通訊協(xié)

57、議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)中（lan）采用的電纜類型和信號(hào)處理方法。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以10100mbps速率發(fā)送信息包。以太網(wǎng)電纜協(xié)議規(guī)定用收發(fā)器將電纜連接到物理設(shè)備上。收發(fā)器執(zhí)行物理層的大部分功能，其中包括沖突檢測(cè)及收發(fā)器電纜將收發(fā)器連接到工作站上。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的dp83848yb單端10/100mb/s物理層收發(fā)器，dp83848可以通過(guò)硬件設(shè)置為mii、rmii和sni標(biāo)準(zhǔn)接口。因?yàn)閘pc2388所配置的以太網(wǎng)模塊只配置帶精簡(jiǎn)的介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（rmii）標(biāo)準(zhǔn)，所以dp83848的39腳（mii_mode）、6腳（sni_mode）應(yīng)該被連接至高、低電平。其相應(yīng)硬件接線圖如圖3-14、3-15所示。圖3-14 以太網(wǎng)模塊1圖3-15 以太網(wǎng)模塊23.6 顯示模塊隨著單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)人機(jī)界面提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)采用以s