基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬域和數(shù)字域之間必不可少的紐帶，它的存在具有十分重要的作用。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89 C 52來實(shí)現(xiàn)，硬件部分是以單片機(jī)為核心，還包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊和串行接口部分。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和PC應(yīng)答機(jī)指令。 4 測得的電壓通過ADC ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口MAX232傳送到上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，LED數(shù)字顯示屏顯示采集的結(jié)果。部分應(yīng)用軟件用VB編寫控制軟件，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊等程序。調(diào)試后設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯

2、示和PC制圖功能。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集； AT89C52 ; ADC0809 ; MAX232 ；介紹研究背景及其目的和意義近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用越來越受到重視，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也發(fā)展迅速，可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始于 1950 年代。 1956年，美國首先研究了軍用測試系統(tǒng)。目標(biāo)是在測試中不依賴相關(guān)測試文件，由不成熟的人員操作，測試任務(wù)由測試設(shè)備完成。由高速自動控制完成。由于這種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)速度快，具有一定的靈活性，可以滿足許多傳統(tǒng)方法無法完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因此得到了初步認(rèn)可。 1960年代后期左右，國外已有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)，多為專用系統(tǒng)。 81970年代后期，隨著微

3、型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，集采集器、儀器和計(jì)算機(jī)于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誕生了。由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)異性能，超越了傳統(tǒng)的自動檢測儀器和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而取得了驚人的發(fā)展。 1970年代以來，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 81980年代，隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展，開始出現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)采集和自動測試系統(tǒng)?，F(xiàn)階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類是由儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用。第二種由數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)組成，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。 1980年代后期，數(shù)

4、據(jù)采集發(fā)生了巨大變化。工控機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路相結(jié)合，由軟件管理，降低了系統(tǒng)成本，減小了體積，功能加倍，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力。加強(qiáng)。 8自1990年代以來，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于世界技術(shù)先進(jìn)國家的軍事、航空航天技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，高性能、高可靠性的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專業(yè)技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，通過簡單的增改模塊，結(jié)合系統(tǒng)編程，即可對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或修改，快速組成新系統(tǒng)。 8雖然以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向發(fā)展迅速，而數(shù)據(jù)采集

5、系統(tǒng)只需要一張數(shù)據(jù)采集卡，插入微機(jī)的擴(kuò)展槽，輔以應(yīng)用軟件。 ，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這不會影響以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。相比數(shù)據(jù)采集板的成本和功能限制，單片機(jī)具有多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。多點(diǎn)同時采集可以實(shí)現(xiàn)研制了電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器輸出的模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。它始于 20 世紀(jì)中葉。在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。采集數(shù)據(jù)信息化是當(dāng)前社會

6、發(fā)展的主流。方向。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于各個領(lǐng)域，已應(yīng)用于石油勘探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。我國數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，研制成功了具有更大動態(tài)范圍、更高線性度、更強(qiáng)兼容性、低功耗可靠性的TDE-324C地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模擬放大拾波器輸出的電信號，然后送到A/D進(jìn)行數(shù)字化。 A/D采用同時采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP數(shù)字濾波處理，成為數(shù)字地震信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有24個A/D轉(zhuǎn)換位，采樣率為50 HZ 、100 HZ和200 HZ 。 8美國PASCO公司出品的“Science Studio”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的全

7、新系統(tǒng)。它由三部分組成： (1) 傳感器：采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，實(shí)時采集技術(shù)可以在實(shí)時物理實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)。各物理量的數(shù)據(jù)； (2)計(jì)算機(jī)接口：將傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計(jì)算機(jī)，采樣率高達(dá)250000次/S； (3) 軟件：中英文應(yīng)用軟件。 8在需求的推動下，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也在快速發(fā)展，以滿足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。例如，愛爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)于2006年問世。系統(tǒng)采用16位（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換，總采樣率為500K/ S，同步時間為+/-250ns?？山M成多達(dá)1000個通道的大容量分布式采集系統(tǒng)。本研究的主要內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，主要研

8、究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和控制。它是在微機(jī)等高新技術(shù)基礎(chǔ)上形成的對傳感器信號進(jìn)行測量和處理的綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號中獲取對象信息的過程。隨著微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測已成為越來越重要的檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時監(jiān)測溫度、濕度和壓力的場合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。它通常由一些功能相對獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。作為測控系統(tǒng)不可缺少的組成部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個系統(tǒng)。雖然以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，適用于通用微機(jī)的板級數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品（如IBM PC系列）也大量出現(xiàn)。 . ,

9、組建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常簡單，只需一張數(shù)據(jù)采集卡，插入微機(jī)擴(kuò)展槽，輔以應(yīng)用軟件，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這不影響以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集。由于單片機(jī)的功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有上位機(jī)的支持，無論使用何種數(shù)據(jù)存儲器，其存儲容量都是有限的，因此存儲的歷史數(shù)據(jù)不得不被覆蓋和刷新，這不利于用戶的數(shù)據(jù)處理。因此，不可能準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)過程的狀況。系統(tǒng)采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集，從機(jī)負(fù)責(zé)采集8路數(shù)據(jù)，并對上位機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行響應(yīng)。上位機(jī)，即上位機(jī)，負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)字量進(jìn)行處理和顯示。 -232 用于

10、通信。這樣，用戶可以在上位機(jī)上編寫各種程序，對文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的查詢和分析，有利于工業(yè)過程的長期正常運(yùn)行和檢查。系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)，功能強(qiáng)大，能滿足設(shè)計(jì)要求。方案論證與選擇選項(xiàng)一本方案采用AT89C52單片機(jī)， ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器， RS-232C作為串口， LED數(shù)碼管作為顯示部分，按鍵開關(guān)作為通道切換，每個按鍵連接到單片機(jī)的I/O線。單片機(jī)，通過線路的查詢可以識別各個按鍵的狀態(tài)。示意圖如圖2.1所示。 LINK Visio.Drawing.11 C:UsersStar tonyDesktop文件畢業(yè)設(shè)計(jì)圖片方案一.vsd a p f 0 圖2.1 方案一示意圖選項(xiàng)

11、二本方案硬件電路由AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 HD7279鍵盤控制及LED顯示電路、 RS-232C串行通信電路四部分組成。與第一種方案相比，鍵盤控制比第一種方案更方便，實(shí)現(xiàn)簡單。示意圖如圖2所示。 LINK Visio.Drawing.11 C:UsersStar tonyDesktop文件畢業(yè)設(shè)計(jì)圖片方案二.vsd a p f 0 圖 2.2 方案二的原理框圖計(jì)劃選擇為了節(jié)省資源，同時考慮每個設(shè)備的性價(jià)比，最終選擇方案1。 89C51已經(jīng)被市面上很多新型單片機(jī)所取代，所以現(xiàn)階段采用主流的AT89C52單片機(jī)。 ADC0809是一種漸逼式A/D轉(zhuǎn)換器，是一種

12、速度快、精度高、成本低的直接轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間在幾微秒到幾百微秒之間。在顯示部分，采用動態(tài)掃描顯示方式，選用性價(jià)比更高的LED數(shù)碼管。在頻道選擇方面，通過硬件優(yōu)化避免使用鍵盤，只需兩個按鍵開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)頻道切換。五金零件該系統(tǒng)為上下多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。下位機(jī)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和顯示。上位機(jī)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)以坐標(biāo)的形式動態(tài)描繪出來。 RS-232 用于上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊。該部分由AT89C52、ADC0809、MAX232、LED數(shù)顯組成。單片機(jī)微控制器概述單片機(jī)是利用超大規(guī)模技術(shù)將具有計(jì)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理等）的微處理器（CPU）、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（

13、RAM）集成在一起的集成電路芯片。 )、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、讀程序存儲器(ROM)、輸入輸出電路(I/O口)，還可包括定時器計(jì)數(shù)器、串行通信口(SCI)、顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)、脈寬調(diào)制電路(PWM)、模擬多路復(fù)用和A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成在單片機(jī)中，形成一個最小但完美的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路可以在軟件的控制下準(zhǔn)確、快速地完成程序員指定的任務(wù)?？偟膩碚f，單片機(jī)的特點(diǎn)可以摘要為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外擴(kuò)能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、電壓低、功耗低、性價(jià)比高、可靠性高.方面。 9單片機(jī)按數(shù)據(jù)通道的寬度可分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。應(yīng)用領(lǐng)域不同，8位單片機(jī)因其強(qiáng)大

14、的功能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等領(lǐng)域。 8位單片機(jī)在中小型應(yīng)用中仍占據(jù)主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。隨著移動通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?？v觀單片機(jī)的發(fā)展歷程，可以預(yù)測單片機(jī)的發(fā)展趨勢：微單片低功耗CMOS3、多品種并存4、可靠性和應(yīng)用水平越來越高單片機(jī)具有微處理器所不具備的功能?？瑟?dú)立完成現(xiàn)代工業(yè)控制所需的智能控制功能。這是單片機(jī)最大的特點(diǎn)。但是，單片機(jī)不同于單板機(jī)。在芯片研發(fā)出來之前，它只是一個功能極其強(qiáng)大的超大規(guī)模集成電路。如果給它一個具體的程序，它就是最小的、最完整的微機(jī)

15、控制系統(tǒng)。它與單板計(jì)算機(jī)或個人計(jì)算機(jī)有本質(zhì)的不同。單片機(jī)屬于芯片級應(yīng)用，用戶需要了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，才能兼容其他集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用，使芯片具有特定的智能。 9微控制器最小系統(tǒng)AT89C52 是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程閃存。它采用Atmel的高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品完全兼容命令和引腳。片上閃存內(nèi)容在系統(tǒng)內(nèi)對程序存儲器進(jìn)行編程，也適用于傳統(tǒng)編程器。 AT89C 52在單芯片上，配備智能8位CPU 和系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高度靈活和超高效的解決方案。 9AT89C52具有以下標(biāo)

16、準(zhǔn)特性： 8k字節(jié)Flash 、 256字節(jié)RAM 、 32位I/O線、看門狗定時器、 2 個數(shù)據(jù)指針、三個16位定時器/計(jì)數(shù)器、一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全-雙工串口、晶振和時鐘電路。此外， AT89 C 52可以低至0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持2種軟件可選的省電模式。在空閑模式下， CPU停止工作，內(nèi)容RAM 、定時器/計(jì)數(shù)器、串行端口和中斷繼續(xù)工作。在掉電保護(hù)模式下， RAM容量被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)的所有工作都停止，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。 8單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.1所示。 LINK Visio.Drawing.11 C:UsersStar tonyDesktop文件畢業(yè)設(shè)計(jì)圖片單

17、片機(jī)最小系統(tǒng).vsd a p f 0 圖 3.1 AT89C52 最小系統(tǒng)它共有40個引腳，引腳分為四類。有四個電源引腳，用于接入單片機(jī)的工作電源。工作電源分為主電源、備用電源和編程電源。還有兩個時鐘引腳XTAL1、XTAL2。微控制器的輸入/輸出（IO）引腳也由P0端口、P1端口、P2端口和P3端口的所有引腳組成。最后一個是控制管腳，有四個控制管腳，有的管腳有復(fù)位功能。綜上所述，單片機(jī)的引腳特性為：單片機(jī)功能多，管腳少，使得管腳復(fù)用的現(xiàn)象更加頻繁。單片機(jī)有四種總線形式：由P0和P2組成的16位地址總線； P0 被時分復(fù)用為 8 位數(shù)據(jù)總線； ALE、PSEN、RST、EA、P3端口INT0、

18、INT1、T0、T1、WR、RD與P1端口的T2、T2EX組成控制總線；而 P3 端口的 RXD 和 TXD 組成串行通信總線。89C52單片機(jī)的主要功能搭配MCS-51 MCU 產(chǎn)品8K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存1000 個擦寫周期全靜態(tài)運(yùn)行： 0Hz 33Hz3級加密程序存儲器32條可編程I/O線三個16位定時器/計(jì)數(shù)器八個中斷源雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷喚醒看門狗定時器雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識符LED數(shù)碼管顯示簡單來說，LED數(shù)碼顯示屏就是由發(fā)光二極管組成的。 LED數(shù)碼顯示屏有兩種連接方式：(1)共陰接法：將發(fā)光二極管的陰極連在一起形成共陰，使用時共陰接地。每個 LED 的

19、陽極都連接到輸入端。(2) 共陽極連接。發(fā)光二極管的陽極連接在一起形成一個公共陽極。使用時，公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過一個電阻連接到輸入端。為了顯示字符，需要為LED顯示屏提供顯示段碼（或字形碼），形成一個七段“8”字，加上一個小數(shù)點(diǎn)，共八段。各段碼點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。 9表 3.1 段碼對應(yīng)關(guān)系段碼D7D6D5D4D3D2D1D0位碼段dpGFedCb一個本設(shè)計(jì)采用四只共陰極數(shù)碼管作為顯示部分。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809在我們測量和控制的信號中，軍方不斷改變物理量。為了處理這些信號，我們需要將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 A/D轉(zhuǎn)換器是將不斷變化的模擬量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字

20、量。數(shù)量。根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的原理，可分為雙積分型、逐次逼近型和并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器三種。而本系統(tǒng)選用ADC0809，下面將詳細(xì)介紹ADC0809的工作原理。ADC0809 是一款八通道、八位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。該芯片采用單5V電源供電，是一款具有鎖存功能的8對1模擬開關(guān)。選擇的模擬通道由C、B、A的編碼決定。轉(zhuǎn)換時間為100us。轉(zhuǎn)換誤差為 1/2LSB。其引腳排列及其功能，其引腳圖如圖 3.3 所示。圖 3.3 ADC0809 引腳圖IN7IN0：八通道模擬輸入。ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道地址線。 CBA=000 時輸入IN0，CBA=111 時輸入IN7。ALE：地

21、址鎖存信號。START：轉(zhuǎn)換開始信號，高電平有效。D7D0：數(shù)據(jù)輸出線。三態(tài)輸出，D7為最高位，D0為最低位。OE：輸出使能信號，高電平有效。CLK：時鐘信號，最高頻率為640KHZ。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。上升沿后高電平有效。Vcc：+5V電源。Vref：參考電壓。串行通訊 RS-232C計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸可以采用串行通信和并行通信兩種方式。由于串行通信方式具有線路少、成本低的優(yōu)點(diǎn)，特別是在遠(yuǎn)距離傳輸中，避免了多線路特性的不一致性，得到了廣泛的應(yīng)用。在串行通信中，要求通信的雙方都采用標(biāo)準(zhǔn)接口，以便不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通信。 RS-232-C接口（也稱為E

22、IA RS-232-C）是最常用的串行通信接口。它是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1970年聯(lián)合貝爾系統(tǒng)公司、調(diào)制解調(diào)器制造商和計(jì)算機(jī)終端制造商共同制定的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它的全稱是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定使用25針DB25連接器，連接器的每根引線為信號容量指定了引腳的電平，也指定了各種信號的電平。(1) 接口的信號容量 實(shí)際上， RS-232C的25根引線中很多很少使用，計(jì)算機(jī)與終端的通訊一般只使用3-9根引線。 RS-232C最常用的9條引線的信號容量。見表 3.2表 3.2 RS-232C針號信號名稱象征流動的方向功能2致數(shù)據(jù)TX

23、DDTE-DCEDTE致串行數(shù)據(jù)3接收數(shù)據(jù)接收端DTEDCEDTE請求DCE將線路切換到致模式5內(nèi)容致中旅DTE-DCEDCE告訴DTE線路已開通并準(zhǔn)備好致數(shù)據(jù)6數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSRDTE-DCEDCE準(zhǔn)備就緒7信號地信號通用8載波檢測DCDDTEDCEDTE準(zhǔn)備就緒二十二振鈴指示RIDTE-DCE表示 DCE 已連接到線路并且有振鈴( 2 )接口的電氣特性與RS-232-C中任意一條信號線的電壓呈負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“ 1 ” ， - 5 - -15V ；邏輯“ 0 ” + 5- + 15V 。噪聲容量為2V。也就是說，要求接收器將低至+3V 的信號識別為邏輯“0”，將高于-3V 的信號識別為

24、邏輯“1”。(3)接口的物理結(jié)構(gòu) RS-232C接口連接器一般采用DB-25型的25針插頭插座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。部分設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口，由于不使用對方的傳輸控制信號，只需要“致數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地”三根接口線。所以采用DB-9的9針插座，傳輸線為屏蔽雙絞線。(4) 傳輸電纜的長度由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。當(dāng)符號失真小于 4% 時，傳輸電纜長度應(yīng)為 50 英尺。事實(shí)上，這 4% 的符號失真是非常保守的。在實(shí)際應(yīng)用中，大約 99% 的用戶在處理符號失真的 10-20% 左右，因此實(shí)際使用中的最大距離會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 50 英尺。 3.5 MAX232簡介

25、MAX232芯片是Maxim公司專門為計(jì)算機(jī)的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路。采用+5v單電源供電，可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232C電平的相互轉(zhuǎn)換。MAX部分的結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示圖3.4 MAX部分結(jié)構(gòu)圖部門結(jié)構(gòu)基本上可以分為三個部分：第一部分是電荷泵電路。它由1、2、3、4、5、6腳和4個電容器組成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩種電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。兩個數(shù)據(jù)通道由引腳 7、8、9、10、11、12、13 和 14 形成。其中，13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（R2IN）

26、、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）是第二個數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換為RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT到電腦DB9插頭； DB9 插頭的RS-232 數(shù)據(jù)由R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換為TTL/CMOS 數(shù)據(jù)再從R1OUT、R2OUT 輸出。第三部分是電源。 15 腳 GND，16 腳 VCC (+5v)。引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示：圖3.5 MAX部分結(jié)構(gòu)圖其中，1-6腳（C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-）用于電源電壓轉(zhuǎn)換，只要外接相應(yīng)的電解電容即可； 7-10腳和11-14腳構(gòu)成兩組TTL信號電平和RS-232C信

27、號電平轉(zhuǎn)換電路，對應(yīng)的引腳可以直接與單片機(jī)串口的TTL電平引腳和RS-232C電平相連PC的引腳。軟件部分設(shè)計(jì)軟件分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。下位機(jī)用KeilUvision4編寫程序，上位機(jī)用Visual Basic6.0編寫程序。下位機(jī)軟件部分介紹KeilUvision4Keil 提供完整的開發(fā)解決方案，包括 C 編譯器、宏程序集、鏈接器、庫管理和強(qiáng)大的仿真器調(diào)試器，它們通過集成開發(fā)環(huán)境 (UVISION) 組合在一起。Keil 具有以下特點(diǎn)：功能齊全的源代碼編輯器；設(shè)備庫用于配置開發(fā)工具設(shè)置；項(xiàng)目經(jīng)理用于創(chuàng)建和維護(hù)用戶項(xiàng)目；集成的MAKE工具可以組裝、編譯和鏈接用戶嵌入式應(yīng)用程序；所有開發(fā)工

28、具設(shè)置均采用對話框形式；真正的 CPU 和外圍設(shè)備源代碼級調(diào)試器；高級 GDI (AGDI) 接口用于在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試，以與 Monitor-51 通信。4.1.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的指標(biāo)要求，由于系統(tǒng)需要實(shí)時顯示任意通道的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，顯示采集到的數(shù)據(jù)信息后，程序會自動跳轉(zhuǎn)回A/D采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行。下位機(jī)程序流程圖如圖4.1所示。圖 4.1 下位機(jī)程序流程圖按照圖4.1所示的程序流程圖，用C語言編譯的程序見附錄C。單片機(jī)AT89C5 2 通過Keil4控制ADC0809實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換程序，對程序進(jìn)行編譯和修改。程序編譯成功后，使用STC-ISP軟件將程序的.hex

29、文件下載到MCU AT89C52中。 AT89C52控制ADC0809實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換的程序編譯界面如圖4.2所示。圖 4.2下位機(jī)程序編譯界面從圖4.2左下角的英文字母可以看出程序編譯成功，生成“final program.hex”文件。通過STC-ISP軟件將生成的“final program.hex”下載到AT89C52單片機(jī)。將“final program.hex”文件下載到AT89C52的成功界面如圖4.3所示。圖 4.3 下載成功界面PC軟件部分Visual Basic 6.0簡介Visual Basic 是Microsoft Corporation開發(fā)的Windows應(yīng)用程序開

30、發(fā)工具。視覺- “視覺”是一種開發(fā)圖形用戶界面 ( GUI ) 的方法。英文Visual的意思是“visual” ，“visual Basic”這個名字可能很抽象，但實(shí)際上它是最直觀的編程方法，之所以叫“visual”，你只需要看VB界面就明白了實(shí)際上無需編程即可完成許多步驟。VB中引入了控件的概念?？丶?Windows 中無處不在，例如按鈕、文本框等。VB對這些控件進(jìn)行建模，每個控件都有幾個屬性來控制控件的外觀、工作方法、能夠響應(yīng)用戶操作（事件）。這樣你就可以隨意點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就像在畫板上一樣，一鍵完成，這在以前的編程語言中是相當(dāng)復(fù)雜的工作。Visual Basic 的特點(diǎn)：可視化編程工具可視

31、化是一種在Windows環(huán)境下開發(fā)圖形用戶界面（GUI）的方法，以獲得所見即所得（WYSIWYG所見即所得）的效果。集成開發(fā)環(huán)境。程序的編輯、編譯、調(diào)試、運(yùn)行都在同一個環(huán)境中進(jìn)行，無需切換環(huán)境。面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。VB采用面向?qū)ο?、事件（消息）?qū)動的編程機(jī)制。結(jié)構(gòu)化編程語言。僅使用順序、選擇和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)來編譯程序，開發(fā)的程序易于閱讀、修改和維護(hù)。支持訪問各種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。使用ADO （ Active Database Object ）或數(shù)據(jù)控件可以訪問多種數(shù)據(jù)庫，如Access 、 Oracle 、 DBASE 、 FoxPro 、 Excel 、 Lotus-等1-2-3。主動技術(shù)可以嵌入到

32、VB程序中，使VB可以開發(fā)集成聲音、圖像、動畫、文字處理、 Web等對象的應(yīng)用程序。完善的Help在線幫助功能在安裝 VB 時安裝了 MSDN，則在線幫助很容易獲得。VB6.0支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、分布式環(huán)境和Internet環(huán)境下的應(yīng)用程序開發(fā)。它提供DHTML （動態(tài)HTML ）設(shè)計(jì)工具，可以設(shè)計(jì)動態(tài)網(wǎng)頁。其操作頁面如圖 4.3 所示。圖 4.3 Visual Basic6.0操作界面主窗口應(yīng)用程序窗口，由標(biāo)題欄、菜單欄和工具欄組成三種工作模式（標(biāo)題欄一直顯示當(dāng)前模式）設(shè)計(jì)模式：創(chuàng)建應(yīng)用程序的大部分工作都是在設(shè)計(jì)時完成的。在設(shè)計(jì)時，您可以設(shè)計(jì)窗體、繪制控件、編寫代碼以及使用“屬性”窗口來設(shè)置或查看

33、屬性設(shè)置值。運(yùn)行模式：代碼運(yùn)行且用戶可以與應(yīng)用程序通信的時間段。代碼可以查看，但不能更改。中斷方式：當(dāng)程序執(zhí)行在運(yùn)行過程中停止時。在中斷模式下，用戶可以查看每個變量和非屬性的當(dāng)前值，從而知道程序執(zhí)行是否正常。還可以修改程序代碼以檢查、調(diào)試、重置、單步執(zhí)行或繼續(xù)執(zhí)行程序。表單設(shè)計(jì)窗口表單設(shè)計(jì)窗口是屏幕中央的主窗口，可以作為自定義窗口來設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的界面。用戶可以向表單添加控件、圖形和圖片以創(chuàng)建所需的外觀。每個窗口必須有一個窗體名稱，默認(rèn)名稱為Form1、Form2、. . .創(chuàng)建表單時。設(shè)計(jì)窗口如圖 4.4 所示。圖 4.4 設(shè)計(jì)窗口代碼窗口_在設(shè)計(jì)模式下，通過雙擊表單或表單上的任何對象，或通過

34、 Project Explorer 窗口中的 View Code 按鈕打開代碼編輯器窗口。代碼編輯器是用于輸入應(yīng)用程序代碼的編輯器。代碼窗口如圖 4.5 所示。圖 4.5 代碼窗口屬性窗口屬性是對象的特征，例如大小、標(biāo)題或顏色等數(shù)據(jù)。在Visual Basic6.0設(shè)計(jì)模式下，屬性窗口列出了當(dāng)前選中的窗體或控件的屬性值，用戶可以設(shè)置這些屬性值。屬性窗口如圖 4.6 所示。圖 4.6 屬性窗口工具箱窗口該工具箱提供了一組工具，用于在設(shè)計(jì)時將控件放置在窗體上以生成應(yīng)用程序的用戶界面。系統(tǒng)啟動后，屏幕左側(cè)會出現(xiàn)默認(rèn)的通用工具箱，上面有21個常用的“組件”。工具箱窗口如圖 4.7 所示。圖 4.7 工

35、具箱窗口電腦軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件的編程主要采用串口通訊和曲線繪制。實(shí)時繪圖是通過將下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換并通過串口傳輸給上位機(jī)進(jìn)行的。下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)軸動態(tài)顯示。設(shè)計(jì)主要使用了1個M somm控件、2個定時器控件、4個文本框控件、1個combo控件、1個圖片控件、3個命令控件。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：串行數(shù)據(jù)采集；以曲線動態(tài)顯示數(shù)據(jù)；顯示時間；鼠標(biāo)點(diǎn)擊讀數(shù)（確定點(diǎn)擊位置的水平和垂直坐標(biāo)）。上位機(jī)操作界面如圖 4.8 所示。圖 4.8 上位機(jī)操作界面電路制作與調(diào)試電路制作5.1.1電路模擬電路仿真主要通過Proteus軟件進(jìn)行硬件電路的初步設(shè)計(jì)，可以對各個器件進(jìn)行合理布局，以驗(yàn)證邏輯是否正確。通過

36、仿真，可以避免因電路錯誤而燒毀器件，進(jìn)一步了解軟件程序是否編寫正確，功能能否實(shí)現(xiàn)。仿真步驟如下：( 1 )。安裝Proteus 仿真軟件。(2)。根據(jù)設(shè)計(jì)布局，繪制電路圖，并連接。本設(shè)計(jì)先畫出單片機(jī)，再把四位數(shù)碼管接到單片機(jī)，再把ADC0809接到單片機(jī)口，再把四個電位器接到ADC0809，再把MAX232接到RS-232C再接連接到微控制器的P3。 0，P3.1端口連接。最后，連接電源線和地線。(3)。仔細(xì)檢查連接是否正確，各端口的設(shè)置是否與程序中的一致，是否接電源和接地。(4)。將生成的 .HEX 文件導(dǎo)入微控制器。(5)。點(diǎn)擊PLAY，觀察顯示和顯示結(jié)果是否正常。(6)。改變電位器大小和

37、轉(zhuǎn)換通道，再次觀察結(jié)果是否正常顯示。圖 5.1 是下位機(jī)的電路仿真圖。圖 5.1 下位機(jī)電路仿真軟件模擬遇到的第一個問題是在Proteus中點(diǎn)擊Play后，四位數(shù)碼管不顯示結(jié)果，供電正常，電路連接正確。測試了單片機(jī)的I / O輸出口電平，發(fā)現(xiàn)沒有生成.HEX文件，即程序下載到單片機(jī)。修改后，問題解決了。軟件模擬遇到的第二個問題是，在Proteus中點(diǎn)擊Play后，四位數(shù)碼管的顯示結(jié)果不正常。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)下位機(jī)程序的顯示模塊程序中的語句邏輯有問題。當(dāng)每個數(shù)碼管先用一個語句熄滅，然后一個一個點(diǎn)亮，顯示結(jié)果變成一個正常值。軟件仿真中遇到的第三個問題是觸發(fā)開關(guān)后采集信號通道沒有變化。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)開關(guān)的

38、另一端應(yīng)接地，不高。修改后可通過開關(guān)控制通道。5.1.2硬件電路制作硬件電路制造包括元件的選擇、電路的焊接和電路之間的連接。通過Proteus軟件進(jìn)行仿真后，整理、列出、接收、采購電路所需的元器件。之后，開始在焊板上進(jìn)行電路焊接。焊接好后，用杜邦線連接到對應(yīng)的引腳，如圖。仔細(xì)檢查電路，確認(rèn)無誤后，開始上電。接通電源后，數(shù)碼管上顯示結(jié)果。通過調(diào)節(jié)電位器的阻值改變電壓，觀察數(shù)碼管顯示結(jié)果是否正常。再次按下按鍵開關(guān)切換頻道，然后調(diào)整頻道的電位器繼續(xù)觀察。下位機(jī)硬件物理圖如圖5.2所示。圖 5.2 下位機(jī)硬件物理圖硬件調(diào)試遇到的第一個問題就是上電時數(shù)碼管顯示結(jié)果不穩(wěn)定，一直閃爍。起初認(rèn)為是軟件延遲時間

39、太長。更改延遲值后，數(shù)碼管仍然閃爍。查資料后發(fā)現(xiàn)電流不夠，然后在單片機(jī)的P0口接一個上拉排除，加大電源的功率。這個問題就解決了。調(diào)試遇到的第二個問題是按鍵開關(guān)按下時，電路通道不切換。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)兩個按鍵開關(guān)的一端在焊接電路時接錯，沒有接單片機(jī)的P1.4和P1.5。重新焊接后，功能就實(shí)現(xiàn)了。硬件電路調(diào)試遇到的第三個問題是，在調(diào)試過程中，上電一定時間后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的數(shù)值一直是174，不管是按下開關(guān)還是改變電位器的阻值，數(shù)碼管的顯示值不能改變。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)ADC0809在后續(xù)焊接中燒毀。然后重新焊接整個電路，通過先焊接底座，再將芯片插入底座來解決這個問題。硬件調(diào)試遇到的第四個問題是，下位機(jī)和上位

40、機(jī)通過串口連接后，發(fā)現(xiàn)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息無法上傳到上位機(jī)。遇到這個問題，首先想到的就是串口電路是否工作正常。將其他完整程序下載到單片機(jī)后，再次連接上位機(jī)，通過串口調(diào)試工具檢測。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正常，結(jié)果正確，所以判斷是串口。程序出了點(diǎn)問題。在反復(fù)檢查下位機(jī)程序和查詢數(shù)據(jù)后，重寫了一些程序。問題已經(jīng)解決了。綜上所述本設(shè)計(jì)介紹了一種基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集4路模擬量并顯示采集值。本系統(tǒng)采用ADC0809進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換，以ATC89C52單片機(jī)為系統(tǒng)核心，控制ADC0809將采集到的數(shù)據(jù)致給上位機(jī)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值通過四位共負(fù)數(shù)碼管顯示，采集過程中模擬量的變化由上位機(jī)動態(tài)顯示，并通過與通道的

41、切換以坐標(biāo)的形式繪制。本次設(shè)計(jì)雖然基本完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，但仍存在不足。主要表現(xiàn)是顯示不夠穩(wěn)定，有時數(shù)值跳變，這是杜邦線和排針連接松動造成的。這種情況如果使用PCB板就可以解決，復(fù)雜的引腳連接在經(jīng)過板子的時候會被拉入電路中。信號采集的形式有些簡單。如果其他三個通道可以用來采集溫度、濕度和光強(qiáng)信號，則系統(tǒng)的實(shí)用性會有所提高。傳感器和其他設(shè)備可用于收集不同的信號形式。至對人民來說：日期：2013 年 6 月 4 日參考1郭天祥. 51單片機(jī)c程序教程M .：電子工業(yè)， 2009 。 2 建中單片機(jī)原理與應(yīng)用（第二版） M .：電子科技大學(xué)，2008. 3 譚浩強(qiáng) C語言設(shè)計(jì)（第三版） M .：清華大學(xué)

42、。4佟世白，華承英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.：高等教育，20005 嚴(yán)杰單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M.：機(jī)械工業(yè)，2010.6邁克爾霍爾沃森。 Visual Basic 2010入門到精通M.李平，唐永濤，丹陽。：清華大學(xué)，2011。7葉洪海，李敏.基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.大學(xué)學(xué)報(bào)，2008 年，4:1。8 王林，商周，王學(xué)偉數(shù)據(jù)采集的發(fā)展與應(yīng)用J電測與儀表，2004，464：1。9 剛，祚祚，朱潔斌單片機(jī)原理與應(yīng)用M.：大學(xué)，2006.附錄 A 英文原著數(shù)據(jù)采集：簡介布魯克斯頓公司這是對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集硬件的非正式介紹。它主要針對協(xié)助選擇適當(dāng)?shù)挠布允褂?Acquire 程序進(jìn)行記錄。

43、概述原則上，數(shù)據(jù)采集硬件非常簡單。 A/D 轉(zhuǎn)換器將表示模擬信號的一系列值傳遞給采集程序。在實(shí)踐中，數(shù)據(jù)采集硬件的選擇和正確使用更為復(fù)雜。本文檔提供了對該主題的非正式介紹。.許多示例取自膜片鉗記錄。該技術(shù)需要準(zhǔn)確采集音頻范圍內(nèi)（高達(dá) 10kHz）帶寬的低電平信號（皮安）。背景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字值。傳感器連接到放大器，放大器將信號轉(zhuǎn)換為電勢。放大器依次連接到包含 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化儀。數(shù)字化儀產(chǎn)生代表信號的一系列值。信號源大多數(shù)要數(shù)字化的信號源是一個傳感器，它連接到具有適當(dāng)信號調(diào)節(jié)功能的放大器。放大器提供電信號。然后使用 A/D 轉(zhuǎn)換器將該信號數(shù)字化。對于膜片鉗記

44、錄，傳感器是充滿溶液的移液器。移液器連接到膜片鉗放大器，將移液器上的電壓或通過移液器的電流轉(zhuǎn)換為高電平信號。按照慣例，膜片鉗放大器的滿量程輸出范圍為 10V，與普通儀器質(zhì)量數(shù)字化儀的范圍相匹配。數(shù)字化儀數(shù)字轉(zhuǎn)換器將一個或多個模擬信號通道轉(zhuǎn)換為一系列相應(yīng)的數(shù)字值。數(shù)字化儀的核心是 A/D 轉(zhuǎn)換器，它是一種對模擬信號進(jìn)行采樣并將樣本轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的設(shè)備。例如，對于單個離子通道的記錄，數(shù)字化儀可能每 50 毫秒確定一次膜片鉗放大器的輸出，并將結(jié)果值提供給計(jì)算機(jī)。抽樣定理數(shù)據(jù)采集的目的是分析數(shù)字形式的模擬信號。為此，數(shù)字化儀產(chǎn)生的值序列必須代表原始模擬信號。采樣定理表明情況就是如此。采樣定理表明，只要采

45、樣頻率不小于信號帶寬的兩倍，就可以從以均勻間隔采集的樣本序列重建模擬信號。例如，假設(shè)信號包含從 DC (0Hz) 到 10kHz 的頻率。該信號必須以至少 20kHz 的速率進(jìn)行采樣才能正確重構(gòu)。實(shí)際上，采樣率應(yīng)該是感興趣的最高頻率的最小采樣率的幾倍。例如，要解析一個 10kHz 的信號，需要至少 20kHz 的采樣率，但在實(shí)踐中應(yīng)該使用 50kHz 或更高的采樣率?？刂拼蟛糠钟懻撌顷P(guān)于計(jì)算機(jī)模擬信號的數(shù)字化。在許多情況下，計(jì)算機(jī)也會產(chǎn)生模擬控制信號。例如，在涉及電壓門控離子通道的膜片鉗實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)經(jīng)常用于產(chǎn)生電刺激以激活通道。這些控制信號是使用 D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的。從傳感器到信號許

46、多信號源由傳感器和放大器組成。放大器將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為要數(shù)字化的信號。前置放大器許多儀表系統(tǒng)都配備了一個盡可能靠近傳感器的前置放大器。一個單獨(dú)的放大器將前置放大器輸出轉(zhuǎn)換為高電平信號。將前置放大器放置在靠近傳感器的位置，通過內(nèi)容信號在通過電纜致之前被放大來降低噪聲。由于傳感器附近的物理空間有限，前置放大器盡可能小，大部分電子設(shè)備位于放大器中。例如，在膜片鉗設(shè)置中，傳感器是充滿溶液的移液管，前置放大器是頭部，放大器是膜片鉗放大器本身。信號調(diào)理許多傳感器傳遞的信號必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能被數(shù)字化。例如，可以使用微電極移液器測量電流，而數(shù)字化儀測量電位（電壓）。膜片鉗放大器提供電流-電壓放大，通常以 mV

47、 輸出/pA 輸入為單位。傳感器信號的這種轉(zhuǎn)換稱為信號調(diào)節(jié)。信號調(diào)理可能更復(fù)雜。來自非線性傳感器的輸入信號可以轉(zhuǎn)換為與被測量呈線性關(guān)系的電壓，可以對溫度等二階效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，或者可以將頻移等間接效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓。集成數(shù)字化儀隨著 A/D 轉(zhuǎn)換器成本的下降，數(shù)字化功能可以轉(zhuǎn)移到放大器中。例如，HEKA elektronik EPC-9 膜片鉗放大器包含內(nèi)置數(shù)字化單元（Instrutech ITC-16）。將數(shù)字化儀集成到放大器中可以顯著降低數(shù)字化信號中的總噪聲，因?yàn)槟M信號不通過電纜從放大器傳輸?shù)酵獠繑?shù)字化儀。在將模擬放大器與帶有內(nèi)置數(shù)字轉(zhuǎn)換器的放大器進(jìn)行比較時，請注意儀器規(guī)格。在放大器外殼中包含數(shù)

48、字電子設(shè)備可能會增加噪聲，而數(shù)字化儀本身可能會給信號增加噪聲。然而，數(shù)字化信號中的總噪聲可能比使用外部數(shù)字轉(zhuǎn)換器時要小得多。將帶有集成數(shù)字轉(zhuǎn)換器的放大器與模擬放大器和外部數(shù)字轉(zhuǎn)換器的組合進(jìn)行比較。將數(shù)字化儀集成到放大器中的一個主要優(yōu)點(diǎn)是放大器設(shè)計(jì)人員可以輕松地包含計(jì)算機(jī)控制功能。連接到這種放大器的數(shù)據(jù)采集程序可以提供集成的用戶界面，從而簡化操作。此外，采集程序可以記錄所有放大器設(shè)置，簡化數(shù)據(jù)分析。從信號到樣本數(shù)字化儀由一個 A/D（模擬到數(shù)字）轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器對模擬輸入信號進(jìn)行采樣并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值序列。別名采樣定理指出，為了能夠重構(gòu)信號，采樣率必須至少是信號帶寬的兩倍。如果信號包含頻率高

49、于采樣頻率一半的分量會發(fā)生什么？采樣率一半以上的頻率分量在采樣數(shù)據(jù)中以較低的頻率出現(xiàn)。采樣信號的表觀頻率是采樣率的一半的實(shí)際頻率模數(shù)。例如，如果以 50kHz 采樣 26kHz 信號，則在采樣數(shù)據(jù)中它似乎是 1kHz 信號。這種效應(yīng)稱為混疊?？逛忼X濾鏡如果要數(shù)字化的信號具有頻率大于一半采樣頻率的分量，則需要使用抗混疊濾波器來降低信號帶寬?？够殳B濾波器必須截?cái)喔哂诓蓸宇l率一半的信號分量。大多數(shù)信號源本質(zhì)上是帶限的，因此在實(shí)踐中通常不需要抗混疊濾波器。但是，某些信號源會產(chǎn)生必須通過抗混疊濾波器去除的寬帶噪聲。例如，膜片鉗放大器具有內(nèi)置的抗混疊濾波器。用于膜片鉗記錄的移液器固有地過濾高于 1kHz

50、范圍內(nèi)的低頻的信號。只有通過提高信號的高頻分量來補(bǔ)償移液器的頻率響應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)膜片鉗放大器的良好高頻響應(yīng)。這會產(chǎn)生顯著的高頻噪聲。膜片鉗放大器提供了一個濾波器來消除這種噪聲。集成轉(zhuǎn)換器混疊的討論假設(shè)瞬時采樣。A/D 產(chǎn)生的輸出值代表瞬時模擬信號幅度。這種采樣 A/D 轉(zhuǎn)換器最常用于儀器儀表。一些 A/D 轉(zhuǎn)換器采用積分轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種數(shù)字化儀產(chǎn)生的輸出值表示模擬信號幅度在采樣間隔上的積分。這種轉(zhuǎn)換器消除了混疊。它們可以被視為包含一個內(nèi)置的抗混疊濾波器。集成轉(zhuǎn)換器很少用于高速控制應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)高速積分轉(zhuǎn)換器的最常用技術(shù)會導(dǎo)致模擬樣本與相應(yīng)數(shù)字化儀輸出值之間的許多樣本間隔延遲。如果在控制系統(tǒng)中使用數(shù)字化

51、儀，這種延遲會在閉環(huán)響應(yīng)中在高頻處引入相當(dāng)大的相移。解析度通常，數(shù)字化儀為計(jì)算機(jī)提供固定長度的二進(jìn)制數(shù)。例如，Axon Instruments Digidata 1200A 產(chǎn)生 12 位數(shù)字，而 Instrutech Corporation ITC-16 產(chǎn)生 16 位數(shù)字。每個值的長度稱為設(shè)備的分辨率，以位為單位。分辨率可以轉(zhuǎn)換為絕對輸入電平。大多數(shù)數(shù)字化儀從零測量高達(dá)約 10V 的擺幅，總范圍為 20V。一個 12 位值的分辨率為 4096 的 1 分之一，因此 12 位數(shù)字化儀的分辨率為 20V 除以 4096，或約 5mV。這表示為一個計(jì)數(shù)（或一個最低有效位，或 LSB）的變化代表

52、5mV。由于模擬儀器很少有明顯超過 0.1% 的精度，因此在數(shù)字化儀中 10 或 11 位分辨率似乎就足夠了。但是，由于輸入信號通常不使用整個輸入范圍，因此需要額外的分辨率。例如，即使儀表放大器增益已調(diào)整為產(chǎn)生 20V 范圍的輸入信號，2V 范圍內(nèi)的信號的小分量也可能感興趣。20V 范圍內(nèi) 2V 信號的 0.1% 分辨率需要至少 13 位的分辨率。準(zhǔn)確性有幾個規(guī)格用于表示數(shù)字化儀的精度。絕對精度表示生成的數(shù)字值代表模擬輸入的精確程度。例如，數(shù)字化儀的絕對精度可能為 4096 中的 1part。這也可以通過說數(shù)字化儀具有 12 位的絕對精度來表示。相對精度表示數(shù)字化儀測量兩個模擬輸入值之間差異的

53、精確度。這通常比絕對精度更令人感興趣。噪聲規(guī)格表示數(shù)字化儀輸出在模擬輸入不變的情況下會有多少變化。這通常表示為位數(shù)。例如，帶有兩位噪聲的 16 位數(shù)字化儀將有效地產(chǎn)生與 14 位數(shù)字化儀相同的結(jié)果。數(shù)字化儀的精度隨其最大采樣率而變化很大。數(shù)字化儀越精確，速度越慢。閱讀數(shù)字化儀規(guī)格時要小心。在某些情況下，制造商會發(fā)布用于數(shù)字化儀的 A/D 轉(zhuǎn)換器的規(guī)格作為整個數(shù)字化儀的規(guī)格。但是，數(shù)字化儀的準(zhǔn)確度可能要低得多。數(shù)字化儀可能包括降低精度的必要組件，例如放大器和電壓基準(zhǔn)。此外，A/D 規(guī)范僅適用于轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中描述的特定條件。在數(shù)字化儀中，這些條件可能不適用。從樣品到計(jì)算機(jī)一旦數(shù)據(jù)被數(shù)字化，它必須被

54、傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。通常數(shù)字化儀是作為計(jì)算機(jī)插件板構(gòu)建的，因此通過計(jì)算機(jī)總線進(jìn)行傳輸。用于高速測量的數(shù)字化儀可以以高速和恒定的速率將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。例如，在一個通道上以 100k 樣本/秒運(yùn)行的數(shù)字化儀通常會連續(xù)產(chǎn)生 200k 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)。這是一個大數(shù)據(jù)流。許多數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性需要某種緩沖。例如，如果計(jì)算機(jī)停止 30 毫秒以將數(shù)據(jù)寫入磁盤或更新顯示器，則將累積 6000 字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)必須存儲在某個地方，否則會丟失。數(shù)據(jù)傳輸：DMAAxon Instruments Digidata 1200 使用 DMA（直接內(nèi)存訪問）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)的內(nèi)存。無論主機(jī)中的活動如何，DMA 傳輸都會繼續(xù)進(jìn)行。

55、DMA 傳輸在連續(xù)采集過程中遇到問題。問題是 PC 主板上使用的 DMA 控制器只能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B續(xù)的內(nèi)存塊。但是，Microsoft Windows 95 和 Windows NT 使用 4K 字節(jié)頁面分配內(nèi)存。數(shù)據(jù)采集程序可能有一個很大的緩沖區(qū)，但緩沖區(qū)會分散在物理內(nèi)存中的 4K 字節(jié)頁面。DMA 控制器一次只能傳輸一頁。處理完一頁后，它會中斷主機(jī)。然后，數(shù)字化儀的設(shè)備驅(qū)動程序必須為下一頁重新加載 DMA 控制器。通常這些周期性中斷不是問題。例如，即使在 Digidata1200 的全 330kHz 速率下，每 6ms 才填充一個 4K 頁面。驅(qū)動程序中的中斷處理在快速處理器上可能需要 5

56、0us。處理器的時間不到 1% 用于處理中斷。但是，在 Microsoft Windows NT 等多任務(wù)操作系統(tǒng)下會出現(xiàn)問題，因?yàn)榭梢酝瑫r進(jìn)行許多其他活動。如果另一個設(shè)備驅(qū)動程序正在執(zhí)行處理并暫時鎖定了中斷，則數(shù)字化儀設(shè)備驅(qū)動程序可能必須等待為 DMA 控制器提供服務(wù)。為了解決這個問題，Axon Instruments 將 Digidata 中的緩沖存儲器從 Digidata 1200 中的 2K 樣本增加到 1200A 和 1200B 中的 8K 樣本。這種增加使該單元即使在 330kHz 下也可以緩沖長達(dá) 24ms 的數(shù)據(jù)，從而避免出現(xiàn)問題。數(shù)據(jù)傳輸：緩沖區(qū)Instrutech Corp

57、oration ITC-16 和 ITC-18 不使用 DMA。相反，他們使用一個大緩沖區(qū)來保存數(shù)據(jù)，直到它可以被主機(jī)處理。然后數(shù)據(jù)通過編程 I/O 傳輸?shù)街鳈C(jī)。也就是說，設(shè)備驅(qū)動程序執(zhí)行傳輸。在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)上，編程 I/O 的效率與 DMA 差不多。這些計(jì)算機(jī)的性能通常受到內(nèi)存系統(tǒng)的限制。因此，即使在沒有主機(jī)干預(yù)的情況下發(fā)生 DMA 傳輸，傳輸也會占用內(nèi)存，從而有效地停止處理器。Instrutech 數(shù)字化儀不向主機(jī)提供中斷。相反，主機(jī)會定期輪詢設(shè)備以獲取數(shù)據(jù)。這種輪詢由應(yīng)用程序定期執(zhí)行（即 HEKA Pulse 或 Bruxton Corporation 收購。由于輪詢可能不頻繁，因此數(shù)字

58、化儀需要一個大的緩沖區(qū)。例如，如果一個程序只能每 100ms 輪詢一次數(shù)字化儀，則數(shù)字化儀必須有一個 20000采樣存儲器以 200kHz 運(yùn)行。Instrutech ITC-16 具有 16k 采樣 FIFO。Instrutech ITC-18 可提供 256k 采樣 FIFO 或 1M 采樣 FIFO。數(shù)據(jù)傳輸：PCI 總線控制一些 PCI 總線數(shù)據(jù)采集板可以使用總線控制將數(shù)據(jù)直接寫入主機(jī)的內(nèi)存?？偩€主控?cái)?shù)據(jù)傳輸不使用主板DMA控制器，因此可以潛在地支持直接寫入由不連續(xù)的4K頁面組成的緩沖區(qū)。在未來，總線主控設(shè)計(jì)可能會變得流行。熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人會注意到PCI總線主控傳輸實(shí)際上是直接內(nèi)

59、存訪問 (DMA) 傳輸。在 PC 系統(tǒng)上，由于歷史原因，術(shù)語 DMA 是指使用內(nèi)置于主板的 DMA 控制器。數(shù)據(jù)傳輸：輸出到目前為止的討論集中在獲取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸上。如果數(shù)字化儀用于同步刺激或控制，則會出現(xiàn)與采集數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)傳輸問題。事實(shí)上，總數(shù)據(jù)速率加倍。例如，以 100kHz 采樣率在一個通道上進(jìn)行激勵/響應(yīng)測量。計(jì)算機(jī)以 100kHz 接收采集的數(shù)據(jù)。同時，計(jì)算機(jī)必須將激勵波形傳送到數(shù)字化儀在 100kHz。全數(shù)據(jù)速率 200kHz。Axon Instruments 和 Instrutech 數(shù)字化儀對輸入和輸出進(jìn)行對稱處理。輸出緩沖區(qū)與輸入緩沖區(qū)大小相同，并使用相同的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

60、測量精度以下部分討論影響動態(tài)測量精度的問題。相聲大多數(shù)數(shù)字化儀從多個模擬輸入通道錄制，通常支持 8 或 16 個輸入通道。一個重要的規(guī)范是輸入通道之間的串?dāng)_，即來自一個通道的輸入信號出現(xiàn)在另一個通道上的量。串?dāng)_是一個問題，因?yàn)樵S多數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個稱為多路復(fù)用器的開關(guān)來在輸入通道之間進(jìn)行選擇。多路復(fù)用器本身就是串?dāng)_的來源。即使開關(guān)打開，開關(guān)輸入和多路復(fù)用器輸出之間的電容耦合也會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的串?dāng)_。即使未選擇高頻輸入信號，它們也會耦合到多路復(fù)用器輸出。要測量這種串?dāng)_，請將模擬輸入接地并從中采樣。同時，將高頻信號連接到其他輸入通道。注意出現(xiàn)在接地輸入端的高頻信號的幅度。這就是串?dāng)_