基于ch376的sd卡采集存储系统设计(编辑修改稿)

基于ch376的sd卡采集存储系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

弱光信号，需要光电传感器具有很高的灵敏度。 有两种光电检测器可以选择，包括光电二极管（PIN）和雪崩二极管（APD）。 PIN响应频率高，响应速度快，工作稳定。 APD灵敏度高，响应快，具有小型、不需要高压电源等优点。 而与光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善[4][5]。 由于信号微弱，持续时间较短，本设计采用有较高相应速度和倍增效应的雪崩二极管。 雪崩光电二极管是具有内增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场内的定向移动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。 在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具很高动能的光生电子或空穴与晶格原子发生碰撞，使晶格原子电离产生二次电子空穴对；二次电子空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又是晶格原子电离产生新的电子空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数定义为： 式中为倍增输出电流，为倍增前的输出电流[6][7]。 雪崩二极管作为前端的传感采集器件，在整个采集存储系统中扮演着重要角色，有用信号的采集全部由它来完成。 与同类的其他光电管相比较，其大大提高了光电二极管的灵敏度（具有内部增益102～104），而且响应速度也很快，频带带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管[8]。 APD传感原理经过光电转换后的电信号很微弱，必需要经过放大处理才能方便测量等后续工作。 APD所采集的信号频率范围很宽，这就要求放大器与之相适应，要有高阻抗、高放大倍数和宽频带。 放大器MAX4265是MAX系列的一款超低失真运算放大器，频带宽，多应用在光电传感器的前置放大电路中。 MAX4265的主要参数如下表。 MAX4265参数表增益带宽300MHz转换速度（Sn）4000（V/ns）输入电压噪声8（nV/√Hz）双电源供电电压177。 177。 5V运算放大器MAX4265具有极低的失真，在整个带宽范围内驱动100Ω负载都能维持极低的失真。 它能提供良好的无寄生动态范围，在频率低于5MHz是为90dBc，在100MHz为60dBc。 这些都是信号处理应用的理想选择。 本设计的放大电路采用反相比例运算电路，并使用两级放大，电压信号从放大器的负相端接入放大电路，放大器采用正负电源供电。 电路中，对前端的分压电阻精度要求很高，其精度直接影响后续的一系列测量工作，这里采用金属膜精密电阻。 金属膜电阻体积小、噪声低、稳定性好、高频特性优秀，电流噪声和非线性较小，阻值范围宽，温度系数小（温度系数范围为10～100ppm/176。 C），性能稳定，适合用于一些要求高初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用场合，是使用最广泛的一类电阻器。 [9][10]。 两级运算放大电路根据“虚短”和“虚断”的概念，R2取51欧姆，R3取510欧姆，一级放大倍数为10倍。 这样，两级放大后，原始信号被放大了100倍。 在该电路仿真时，APD及分压电阻部分使用信号发生器代替，在电路前端输入峰值为50mV，频率为1KHz的正弦波，由仿真图可知，前端电路基本满足放大的需求[11～14]。 放大电路仿真在所采集的光电信号中，不但有前向散射光的信号，还带自然光等转换的电信号以及以工频干扰为主的噪声干扰。 在APD所采集的信号中，低频信号干扰性很强，故本设计采用高通滤波器滤除低频信号。 相比无源滤波器，由放大器和RC器件组成的有源滤波器Q值高、易调试、体积小、重量轻，并能提供一定的信号增益[15][16]。 巴特沃斯高通滤波器该电路的传递函数是：Aus=Aupss2R6R7C6C71+sR7C6C7C5+C6+C7+s2R6R7C6C7 (31)通带放大倍数是：Aups=C5C7 (32)所以，Aus=109s2+106s+1 截止频率是： ʄp=12πR6R7C6C7 (33)所以。 品质因数是：Q=C5+C6+C7R6C6C7R7 (34) A/D转换器前端电路采集到的信号变化极其细微，而常用的8位AD转换器转换精度过低，不能满足设计需求。 所以为了提高转换精度，本设计采用12为模数转化器ADS7804，其同样在转换速度和价格上都占有优势。 ADS7804为单通道输入，它的模拟输入电压为177。 10V，采样速率达到100kHz。 而且芯片的内部还设有采样保持、时钟、电压基准等可以简化外部硬件设计的电路模块，同时也提高了系统运作的稳定性，在仪器仪表的数据采集系统中运用广泛。 模数转换电路VIN为模拟信号输入引脚。 D11～D0为数字量并行输出端口，由于对单片机的并行接口有限，所以D11～D8空置。 DZ（19管脚到22管脚）是为了与16为AD转换器ADS7805而设置，可悬空。 CS为低电平有效的片选引脚，R/C为读取结果/模数转换控制信号，BUSY用来指示模数转换是否完成，BYTE用来控制从总线所转换的结果是高四位还是低八位。 VANA和VDIG为模拟电源和数字电源，应该同时接+5V电压，两个模拟接地引脚AGND1和AGND2与数字接地引脚DGND也同时接地。 REF为参考电压端。 CAP为参考电压所需电容。 其工作时，首先将R/C置为低电平，CS引脚将被输入一脉冲，并在其下降沿时启动AD芯片开始转换。 8us后转换完成，BUSY引脚置为高电平，R/C引脚电平也同时被拉高，同样在CS引脚脉冲的下降沿时，将转换结果读到数据总线上。 这里，由于是12为的数据而只有8位的总线，采用两次读取。 BYTE为高电平是读取数据的高字节部分，低电平时读取数据的低字节。 ADS7804启动转化和读取转化结果的时序比较特别。 R/C CS BUSY MODE 获取 转换 获取DATE BUS 高阻态 有效数据 AD转换盒读取结果时序图对于51单片机而言，外部接12MHz的晶振，其脉冲宽度为500ns，而RD引脚只要对外部进行读写，就会产生有6个震荡周期的脉冲，正好合适AD转换器CS脚的脉冲要求，故将CS脚与单片机上的RD脚连接，BYTE引脚、R/C引脚和BUSY引脚分别接单片机P2端口的对应位置[17～20]。 ADS7804接口电路ADS7904将模拟信号转换为数字量，以二进制补码的方式输出。 系统控制单元以AT89S52单片机和文件管理芯片CH376完成系统的整体控制工作。 其中AT89S52主要负责前部分的数据采集和对CH376的控制，CH376主要负责SD卡的存储部分。 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。 片上Flash允许程序存储器在系统中可编程，也适用于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，运行速度快、处理能力强、对C语言提供较好的支持，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash存储器、256字节RAM、32 位I/O 口线、看门狗定时器、2 个数据指针、三个16 位 定时器/计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。 另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可以选择的节电模式。 空闲模式下，CPU停止工作，但允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。 在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。 同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。 根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP40的封装。 AT89S52的外围电路相当简单，除了VCC引脚和GND引脚分别接正5伏的电源和接地外，只需加上相应的复位电路和晶振电路。 这里，复位电路使用按键手动复位，使用12MHz晶振并匹配30pF电容组成晶振电路[21][22]。 AT89S52 PDIP封装引脚图 文件管理芯片CH376CH376是由南京沁恒公司生产的一种文件管理控制芯片，常用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件。 它支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通讯协议的基本固件，内置了处理MassStorage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD卡的通讯接口固件。