基于单片机的高精度数据采集卡.docx

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1、基于单片机的高精度数据采集卡摘要：随着计算机的应用和发展，在一些领域的的应用中，要求数据采集的精度高,测量特别精确。特别是工业环境下，现场工作的噪声非常高，给计算机控制带来了诸多不便。本文介绍的是基于单片机的高精度数据采集系统的软硬件设计，采用模块化的设计实现数据采集。数据采集及通信的控制都由AT89C2051实现，硬件部分以单片机AT89C2051为核心，还包括信号的滤波电路，放大电路，AD采集电路，串口通信电路。本系统采用CS5513模数转换器作为数据采集的核心器件，实现对2路信号的分别采集。CS5153将采集到的数据交给单片机进行处理，并将数据通过单片机串行口经过CP2102的UART和

2、USB的转换将数据发送到上位机，并由上位机对数据进行后期的处理制作。软件部分通过Kei1C软件进行编程，实现数据的采集与发送。关键词：AT89C2051数据采集CS5513CP2102目录目录11引言21.1数据采集系统的定义21.2数据采集系统的发展历史及发展状况31. 3高精度数据采集系统设计的意义和发展状况42高精度数据采集系统的系统设计52. 1数据采集系统的体系结构52. 2本系统的设计思想53.硬件电路设计63.1 单片机的选取63.2 2AD选取73.3 3电源电路93.4 滤波电路的设计93.5 放大电路的设计93.6 光耦隔离电路103.7 两路信号采集的控制电路H3.8 8

3、UART转USB通道设计124软件设计143.9 1.1简介Kei1UViSiOn4144. 2主程序设计174. 2.1数据采集程序的设计175. 2.2串行通信程序设计195系统调试22结论错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。附录一电路25附录二实物电路25附录三附录程序261引言近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注。随着计算机技术水平的不断提高和计算机应用的的迅猛发展，数据采集系统也有了很大的的发展，它被广泛的应用于各种领域。数据采集技术包括传感器技术、非电测量和电信号检测、接口技术，可编程控制器以及计算机控制技术等先进技术发展起来的一门综合应

4、用技术，作为获取信息的工具，数据采集是电子，机械制造，冶金，气象，航空航天等控制技术中至关重要的一环。在很多领域的数据检测过程中，经常需要即时的检测各环节的电压、电流、温度、湿度、流量、压力等环境参数。以便对控制系统进行控制1。数据采集与处理技术不仅设计采样技术基本理论，还涉及采集与处理系统经常采用的传感器技术以及常用的芯片的使用，PXIPC1总线技术，计算机接口通信控制系统，计算机控制系统的可靠性设计，以及系统的抗干扰性设计4。1.1数据采集系统定义数据采集是指将外部环境参数如温度、压力等模拟信号采集并转换完成数字量后，传输至CPU,再由控制器进行存储、处理、输出的过程。这样的系统成为数据采

5、集系统。数据采集，又被称为数据获取，是利用一种硬件设备，从系统外部采集数据，并将其输入到系统内部的一个接口，进而传给上位机。数据采集技术已经广泛的应用在了生活中的各个部分。例如信号检测、信号处理以及仪器仪表等领域。工业以及生活中的环境变量都需要各式各样的传感器来获取。严格来说，数据采集系统应该是利用由计算机来控制数据采检测采集并且对数据进行存储，后期处理，分析计算，从而获取有效信息的系统。数据采集系统无论应用在哪个领域的哪个控制系统，数据采集与处理的速度越快并且越及时，整个系统的工作效率就会越高，我们从中获得的经济效益就会越多口。数据采集系统主要包括数据输入通道，数据管理，数据后期处理，数据显

6、示及输出等组成。数据输入通道完成对被测信号的监测及检测，信号采样以及信号模数转换工作。数据管理将采集到的数据存储到内存中，为后续的管理及调用提供方便。数据处理就是将采集到的原始信号进行干扰噪声的滤除，删除无关信息和不必要信息，从而获取能够真实反映环境情况的参数。数据输出部分将系统采集到的数据通过CPU接口上传至上位机，以便上位机进行更加复杂的处理。数据采集系统性能的好坏，主要取决于数据采集系统的精度和速度，在保证精度的条件下，应尽量加快数据采集的速度，以满足实时采集，实时处理和实时控制的系统要求。1.2数据采集系统的发展历史及发展状况对数据采集系统的研究起始于上世纪50年代，美国在1956年首

7、先研制成功了一套应用在军事上的系统，测试任务由测试设备自动控制完成。由于该系统具有高速和灵活等特性，能够实现许多传统方法不能实现的数据采集及测试等任务，因而得到当时世人的初步认可。在70年代后期，随着微型机的发展，逐渐出现了采集器，并随之诞生了采集器和计算机相互结合的数据采集系统，由于系统优良，超过了以往任何一种数据采集系统，因而获得惊人的发展。在随后的发展中，数据采集系统慢慢分为两种，一种是应用在实验室的采集系统，另外一种是应用在工业现场的采集系统。80年代以后，计算机在全世界逐渐普遍，并对数据采集系统得发展产生了了巨大的影响。到80年代后期，数据采集出现了翻天覆地的变化，计算机、单片机和大

8、规模集成电路的组合，使用软件进行控制管理，使得数据采集系统的成本大幅降低，体积减小，功能却大幅增加，数据的采集处理能力大大增强。从90年代至今，数据采集系统在军事、航空电子设备、工业控制领域的应用获得了巨大的成功。伴随着集成电路制造技术水平的不断提高,人们逐渐设计出高性能，高可靠的使用单片机的数据采集系统。数据采集技术已经成为一种专门的工业技术，广泛的应用在工业领域的方方面面。现阶段，单片机已经具有精度高，转换速度快等优点，继而配合高精度的AD采集器，能够同时对多点进行采集，从而开发出能满足实际应用要求的，并且结构简单、可靠性高的高精度的数据采集系统，因而以单片机为核心的数据采集系统被广泛应用

9、在了生活中的各个领域20。在我们国家，伴随着数据采集技术的不断发展进步，市场上出现了各种类型的数据采集器，例如北京阿尔泰科技生产的pxi962216位32路模拟量输入的带DI0、计算功能的高速采集卡。在过去的几年中，数据采集卡的供需情况产生了变化，国内生产的数据采集卡的需求量每年都在增加。在未来的几年，生产数据采集卡的行业还会持续发展，继续深入的影响工业及日常生活。1. 3高精度数据采集系统设计的意义和发展状况随着计算机的应用和发展，在一些领域的的应用中，要求数据采集的精度高,测量特别精确。特别是工业环境下现场工作的噪声非常高，给计算机控制带来了诸多不便，当今数字技术已经成为了众多系统的核心，

10、伴随着数字信号处理技术的日趋成熟，高分辨率数据的快速，实时处理成为可能，进而实现数据的高精度采集与处理成为当务之急。高精度的数据采集系统是目前数据采集系统的发展方向。随着微电子技术的发展，微型机的功能变得越来越强大。器件的运行速度有了得到了很大的提高，采样频高精度和高采样频率的A/D数模转换器得到广泛的应用。本系统采用高精度AD采集器CS5513和普通的AT89C2951单片机为基本配置的方案。2高精度数据采集系统的系统设计高精度数据采集系统包括硬件电路设计部分和软件设计部分，根据所采集的物理信号的不同特点，所采用的系统结构也不同。但无论是什么结构对模拟信号来说，数据采集的硬件电路都包括模拟部

11、分和数字部分两个部分。所以，整个系统主要包括：信号传感部分，前置放大电路部分、信号调理部分、精密放大部分，AD转换部分，同SCM的接口部分，以及SCM同上位机的通信电路部分。42. 1数据采集系统的体系结构本系统采用具有两路模拟信号的双通道数据采集系统。主要部分包括:滤波电路,前置放大器，AD转换器，IO接口，中央处理器CPU等。43. 2本系统的设计思想本系统的硬件电路部分包括：滤波电路，运算放大电路，AD采集电路芯片，光耦隔离电路,单片机电路，UART转USB通信电路图2.1系统框图本系统将采集到的原始信号通过低通滤波电路，滤除高频噪声等干扰。经过放大电路把信号放大至AD更容易采集的范围。

12、AD将采样的到的信号，通过光耦隔离电路传至单片机内进行数据处理和发送控制。单片机串口发送电路采用UART转USB通道芯片，实现与上位机之间通过USB接口进行数据发送与接收3硬件电路设计3.1 单片机的选取在本系统中，单片机主要完成对AD转换器的控制，外部中断及串口中断等中断程序的执行，以及与上位机之间的串行通信。对单片机功能要求并不高，在此采用ATME1公司生产的AT89C2051(如图3.1)。该单片机结构简单，易于控制并且性价比高。AT89C2051是美国ATME1公司生产的低电压，高性能的8位单片机，片内含2K字节的能够反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器(RAM),器件采用

13、ATME1公司的高密度、非易失性存储技术，兼容MCS-51指令系统。芯片内置通用8位CPU和F1ASH存储单元，功能适中。对本系统而言是一个高性价比的单片机。图3.1AT89C2051原理图主要性能参数1、完全兼容其它51产品指令系统。2、15个可编程I/O口线3、2个16位定时/计数器4、6个中断源5、可编程串行UART通道功能性概述：AT89C2051提供以下标准：2K字节闪速存储器，128字节内部RAM,15个IO口线,两个16位定时/计数器。一个全双工串行通信，一个5向量的两级中断结构。并且内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时AT89C2051的时钟频率可以为0,拥有可用软件

14、设置的睡眠省电功能。系统的唤醒方式有随机存储器、定时/计数器、串行口和外部中断口。系统被唤醒后进入继续正常工作状态。在省电状态中，片内RAM被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止,系统被硬件复位方才能继续运行。单片机电路如图3.33.2AD选取CS5513是CRYSTA1公司生产的串行20位模数转换器如图3.4,成本较低，且易于使用，采用电荷平衡技术获取20位数据，非常适合在高精度数据采集系统中应用。它可进行直流测量。产品封装为8脚SOIC形式，可节省设计空间。该产品包含4阶的调制器和滤波器，可有效抑制线性噪声。同时带有振荡器，无需外加时钟。是将双极性信号数字化的理想产品。管脚紧凑，功耗低，精度较

15、高，易于使用。这些优点使得AD成为数据采集的理想产品18o1脚VREF：参考VREF电压，为片内调制器建立参考电压。2脚A1N+、3脚AIN-为差分输入引脚。4脚CS：低电平时，当AD的输出寄存器有新数据时，SDO将变成低电平。CS为高电平时，SDo脚输出为高阻抗。5脚SC1K：串口时钟输入。6脚、7脚提供正负模拟电源。8脚SD0：串口数据输出端。工作原理：上电后，CS5513就开始执行模数转换工作，同时更新输出寄存器。当输出寄存器有新的数据时，而此时的CS处于低电平就可以执行数出操作了。一旦数据读完，SDO有重新呈现高阻态18。CS5513在单片机系统中的应用。随着计算机技术水平的提高，大规模可编程器件的迅速发展，导致测量仪器也不断向着高精度，低成本的方向发展。虽然并行20位数模芯片也能实现高精度和快速的转换速率，但成本高，还占用了大量的单片机接口，对单片机资源是很大的浪费，尤其在多路数据采集系统中中还增加难度，实际电路也难以实现。串行20位的CS5513成本低，硬件电路接口简单，在数据精度高，但采集速度要求不高的情况下具有广阔的应用前景18。CS5513的输出字为24bit,其中D0-D19为20bit的有效数据位，D20和D23通常为0,D21即OD位为震荡检测标志位。D22即OF位，为溢出标志位如表3.1。D23D22D21D2