數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張連華

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與一般的微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在許多方面是一致的。但由于單片機(jī)系統(tǒng)通常作為系統(tǒng)的最前端。設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)注意應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)際問題，使系統(tǒng)的可靠性能夠滿足應(yīng)用的要求。數(shù)據(jù)采集是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最為重要和普遍的應(yīng)用要求。數(shù)據(jù)采集的對(duì)象可以是溫度、壓力、流量等各種物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以是復(fù)雜控制系統(tǒng)的一部分。也可以是配備顯示(或打印)輸出的獨(dú)立系統(tǒng)(或儀表)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP274+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-8136(2009)35-0164-02

1模擬通道的組成

模擬通道的一般構(gòu)成見圖1。

1.1傳感器

傳感器把被測(cè)的物理量(如溫度、壓力等)作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換為電量(電流、電壓、電阻等)輸出。物理量性質(zhì)和測(cè)量范圍的不同。傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)(已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出)。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合MD轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A／D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)。就需要放大器的放大。

1.2多路開關(guān)

多路開關(guān)的作用是可以利用一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多路模擬量的轉(zhuǎn)換。利用多路開關(guān)輪流切換各被測(cè)回路與A／D轉(zhuǎn)換器間的通路，以達(dá)分時(shí)享用A／D轉(zhuǎn)換器的目的。常用的多路開關(guān)有CD4051／CD4052和AD7501／AD7502等。

1.3放大器

放大器通常采用集成運(yùn)算放大器，常用的集成運(yùn)算放大器有OP-07，5G7650等。在環(huán)境條件較差時(shí)，可以采用數(shù)據(jù)放大器(也稱為精密測(cè)量放大器)或傳感器接口專用模塊。

1.4取樣保持器

取樣保持器具有取樣和保持兩個(gè)狀態(tài)。在取樣狀態(tài)時(shí)，電路的輸出跟隨輸入模擬信號(hào)變化；在保持狀態(tài)時(shí)，電路的輸出保持著前一次取樣結(jié)束前瞬間的模擬量值。使用取樣保持器的目的是使A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬量數(shù)值不變，從而提高A／D轉(zhuǎn)換的精度。常用的取樣保持芯片有LF398，AD582等。

當(dāng)前輸入的信號(hào)變化與MD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間慢的多時(shí)，可以不用取樣保持器。

1.5A／D轉(zhuǎn)換器

A／D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)是分辨率，A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與其分辨率有直接的關(guān)系。8位的A／D轉(zhuǎn)換器可以滿量程的1／256進(jìn)行分辨。A／D轉(zhuǎn)換器的另一重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時(shí)間．選擇A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)必須滿足采樣分辨率和速度的要求。

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被測(cè)溫度范圍是0-500度，被測(cè)點(diǎn)為4個(gè)。要求測(cè)量的溫度分辨率為0.5度。每2s測(cè)量一次。

2.2器件選擇

傳感器選用鎳鉻一鎳硅熱電偶，分度號(hào)為K(舊分度號(hào)為EU-2)。當(dāng)溫度為500度時(shí)，熱電勢(shì)為20.64 mV。

滿量程為500度。對(duì)于0.5℃的分辨率要求，A／D轉(zhuǎn)換器要具有0.5／500=111000的分辨能力。8位的A／D轉(zhuǎn)換器的分辨能力為1／256。10位的A／D轉(zhuǎn)換器的分辨能力為1／1024。5G14433具有1／2048的分辨率。

每2s對(duì)4點(diǎn)進(jìn)行一次巡回檢查時(shí)，每點(diǎn)取樣時(shí)間為2s/4=0.5s，即1s取樣2次。對(duì)于5G14433．當(dāng)外接電阻Rc為300 kn時(shí)，時(shí)鐘頻率為147 Hz,每秒轉(zhuǎn)換約9次。

另外，還需要將熱電偶輸出的20.64 mV的信號(hào)放大到5G14433的輸入電壓為2V，放大器的增益為2000／20.64=96.9。為了提高放大器的抑制共模干擾的能力，多路開關(guān)選用差動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器CD4052。

由于溫度信號(hào)變化緩慢，可不用取樣保持器。

2.3硬件電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬輸入通道電路見圖2。

圖2中未畫出顯示及輸出部分電路，數(shù)據(jù)放大器可以選用單片高性能數(shù)據(jù)放大器芯片，也可以采用普通運(yùn)算放大器組合而成。

2.4軟件流程

數(shù)據(jù)采集是利用單片機(jī)完成測(cè)控任務(wù)的最為基本的任務(wù)。由于使用的要求和環(huán)境不同，系統(tǒng)構(gòu)成的方案、器件選擇會(huì)有較大的差異，應(yīng)根據(jù)具體情況靈活處理。見圖3。