多通路信号采集电路研究与设计毕业论文(编辑修改稿)

多通路信号采集电路研究与设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

片内 ROM 型的芯片又分为片内 EPROM 型（典型芯片为 87C51）、 MASK 片内掩模 ROM 型（典型芯片为 8051）、片内 FLASH 型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程 ROM（ One Time Programming, OTP)常州工学院毕业设计说明书 11 的芯片（典型芯片为 97C51)。 微控制器是电脑上的一个芯片。 与通用微处理器相比较而言（在 PC 上使用的那种 ），它是突显自给自足性能和成本效益的一款微处理器。 目前使用的大多数计算机系统被嵌入在其他机器中的，如电话机，钟表，家电，汽车，和基础设施。 一款嵌入式系统通常具有记忆和程序长度的最低要求，可能需要简单但不寻常的输入 /输出系统。 例如，大多数嵌入式系统缺少键盘，屏幕，磁盘，打印机或个人计算机的其他可识别的 I / O 设备。 它们可以控制电动马达，继电器或电压，并且读开关，可变电阻器或其他电子设备。 通常，唯一通过一个可读的 I / O 设备是一个单一的发光二极管，它的严重的成本或功耗限制甚至可以消除。 与通用 CPU 相反， 微控制器不具有地址总线或数据总线，因为它们集成在同一个芯片作为 CPU 上所有的 RAM 和非易失性存储器。 因为它们需要更少的引脚，该芯片可以被放置在一个更小，更便宜的封装中。 集成存储器和其他外围设备在单个芯片上，并测试它们作为一个单元增加了芯片的成本，但通常会导致降低了嵌入式系统作为一个整体的净成本。 （即使已经集成外设的 CPU的成本比一个 CPU +外围设备的成本稍多，更少的芯片通常允许更小和更便宜的电路板，并降低了组装和测试电路板所需的人工）。 这种趋势导致了如此的设计。 微控制器是一个集成电路，通常具有以下 特点： 中央处理单元 从小型简单的 4 位处理器到复杂的 32 位或 64 位处理器的输入 /输出接口外设如串行端口器（ UART）其他串行通讯接口如 I178。 C，串行外设接口和控制器局域网络的系统互连如定时器和看门狗的 RAM 数据存储器 ROM， EPROM， EEPROM 或闪存用于程序存储的时钟发生器 通常是振荡器石英计时晶振，谐振器或 RC 电路的包括许多模数转换器。 这种整合大大减少芯片的数量，并且将需要使用不同的芯片上，以产生等效的系统，并已被证明是由于其在 20 世纪 70 年代引入的嵌入式系统非常流行的布线和印刷电路板的空间量。 有些微控制器能够用哈佛结构：独立的内存总线的指令和数据，允许访问同时发生。 而外围的整合的决定是非常困难的。 该微控制器供应商经常换工作频率和对时间将产品推向市场从他们的客户和降低整体系统成本要求的系统设计灵活性。 制造商必须平衡需要尽量减少对附加功能的芯片尺寸。 微控制器架构可从这么多的品种很多不同的供应商每个指令集架构能够正确地属于一个自成一类的。 其中最主要的是 8051， Z80 和 ARM 的衍生工具。 [需要的引证 ] 常州工学院毕业设计说明书 12 2． 2． 2微控制器的 功能说明 微控制器（ MCU 也或μ C）是一种功能性的计算机上系统级芯片。 它包含一个处理器核心，存储器和可编程的输入 /输出外围设备。 微控制器包括一个集成的 CPU，存储器（少量的 RAM，程序存储器，或两者兼有），能够输入和输出的外围设备。 它强调高集成化，而相比之下，一个微处理器，它仅包含一个 CPU（在 PC 中使用的那种）。 除了一个通用微处理器通常的算术和逻辑元件，微控制器集成了额外的元素，例如读写内存用于数据存储，只读存储器用于程序存储，闪存用于数据永久存储，外设和输入 /输出接口。 在少至 32KHz 的时钟速度，微控制器经常工作在非常低的速度相比，微处理器，但是这是足够的典型应用。 他们 消耗较少的功率（毫瓦甚至微瓦），并且一般要保留的功能，同时等待一个事件，例如按下按钮或中断的能力。 功耗，同时睡眠（ CPU 时钟和外设禁用）可能只是纳瓦，使它们非常适合于低功耗和持久的电池应用。 微控制器用于自动地控制产品和设备，如汽车的发动机控制系统，远程控制，办公机器，电器，电动工具，玩具等。 通过减小尺寸，成本和功率消耗与使用一个单独的微处理器，存储器，以及输入 /输出装置的设计相比，微控制器能够经济的电子化地控制更多的进程。 目前使用的大多数计算机系统都被嵌入在其他机械中，如汽车，电话，电器，及周边设备的计 算机系统，这些被称为嵌入式系统。 虽然有些嵌入式系统是非常复杂的，有很多的内存和程序长度的最低要求，没有操作系统以及复杂的低软件。 典型的输入和输出设备包括开关，继电器，螺线管，指示灯，小型或定制的 LCD 显示器，射频设备和数据传感器，例如温度，湿度，光照水平等嵌入式系统通常没有键盘，屏幕，磁盘，打印机，或个人计算机的其他可识别的 I / O 设备，并且可能会缺乏任何形式的人工交互的设备。 微控制器提供实时响应来回复他们所控制的嵌入式系统中的事件是强制性的。 当某些事件发生时，中断系统可以发出信号处理器暂停处理当前指令 序列，并开始中断服务程序（ ISR）。 ISR 将返回到原来的指令序列之前执行基于中断的来源所需的任何处理。 可能的中断源是相关设备，并且通常包括诸如内部定时器溢出事件，完成模拟到数字的转换，对输入诸如从被按下的按钮逻辑电平的变化，和数据通信链路上接收。 功耗是重要的，因为在电池供电的设备中断还可以唤醒微控制器从哪里处理器暂停，直到需要通过外围事件做一些低功耗的睡眠状态。 单片机程序必须存放在可用的片上程序存储器，因为提供与外部链接的，可扩展的，内存的系统将是昂贵的。 编译器和汇编语言是用来将打开的高级语言程序转换到 一个紧凑的机器代码存储在微控制器的存储器中。 根据不同的设备，程序存储器可以是永久的，只能在工厂进行编程的只读存储器，或程序存储器可以现场改变程序或可擦除只读存储器。 由于嵌入式处理器通常用于控制设备，他们有时需要接受来自他们所控制的设备的输常州工学院毕业设计说明书 13 入，这是模数转换器的目的。 因为处理器在建造时，解释和处理数字数据，也就是 1和 0，它们不能够用通过一个器件发送给它的模拟信号做任何事情。 这样模拟到数字转换器用于将输入的数据转换成该处理器可以识别的一种形式。 还有一个数字到模拟的转换器，它允许处理器将数据发送到被控制的设备。 除了转换器，许多嵌入式微处理器也可以包括各种定时器。 其中一个最常见的定时器类型是可编程间隔定时器，或简称 PIT。 PIT 只是倒计时从一些值降到零。 一旦达到零，它发送一中断到处理器，表明它已经完成计数。 这是非常有用，如恒温器，其中定期测试他们周围的温度，看看他们是否需要开启空调时对等加热设备。 时间处理单元或简称 TPU，本质上只是另一种计时器，而且更复杂。 除了倒计数，所述TPU 可以检测到输入事件，产生输出事件，以及其他有用的操作。 专用脉冲宽度调制（ PWM）使得它可以为 CPU 控制功率转换器，电阻性负载，电机等，而无需在紧定时环路使用大量 CPU 资源。 通用异步接收器 /发送器模块（ UART）使得它可以通过在 CPU 上具有很少负载的一条串行线路上接收和发送数据。 对于那些想要以太网可以使用外部芯片像晶体半导体 CS8900A，瑞昱 RTL8019，或微ENC28J60，它们所有的都可以方便的与低引脚数相接。 采集卡模块说明 2． 3． 1 模块简介 MPS010601是一款新型的多功能 USB 数据采集卡。 与传统的采集卡不同， MPS010601不但具备八路信号采集通道，而且具备四路信号输出（ DAC）、八路数字信号输入 \输出（ DIO）、两路计数器、两路比较器和两路 PWM 输出等诸多附加的实用功能。 这些附加功能不但大大提高了 MPS010601的性价比，而且大幅扩展了 MPS010601的用途。 MPS010601采集卡还编写了功能丰富的应用软件，努力为用户提全面的方案设计，减少用户的工作量。 采集卡实物如图 2— 1所示。 常州工学院毕业设计说明书 14 图 2— 1 采集卡 2． 3． 2 性能以及 接口说明 总线性能 ▪ ▪ 使用方便，能够实现自动配置，支持设备的热插拔即插即用 ▪ 输入通道： 2路同步差分、 4路多路差分、 8路多路差分 ▪ 输入端耐压： 177。 5V ▪ 输入量程： 177。 ▪ 采样： 5Ksps80Ksps 内外时钟 ▪ 阻抗： 30K ▪ 最大总误差： % 常州工学院毕业设计说明书 15 ▪ 增益： 16 ▪ 输出通道 : 4路同步单端 ▪ 模输出范围： ▪ 输出电流 : 300μ A ▪ 分辨率： 12比特 ▪ 非线性误差： 177。 2LSB ▪ 更新时钟： 5Ksps80Ksps 内外时钟 /输出 ▪ 输入 /输出通道： 8路 ▪ 输入 /输出模式： 全输入 /输出、半输入 /输出 ▪ 输入电平： 兼容逻辑门电路或互补金属氧化物半导体电平 ▪ 输出电平： 互补金属氧化物半导体电平 ▪ 输入 /输出时钟： 5Ksps80Ksps 内外时钟 ▪ 比较器数目： 2 ▪ 电压范围： ≤ ▪ 响应时间： ≤ 10μ S ▪ 回差电压： 正反向各 2mV ▪ 输出电平： 互补金属氧化物半导体电平 ▪ 计数器数目： 2 ▪ 输入电平： 逻辑门电路或互补金属氧化物半导体电平 ▪ 计数位： 16位 ▪ 工作时钟： 5Ksps80Ksps 内外时钟 常州工学院毕业设计说明书 16 输出 ▪ PWM 输出通道： 2 ▪ PWM 输出电平： CMOS ▪ PWM 输出脉宽： 16bit ▪ PWM 时基： 2M 或 24M ▪ PWM 状态显示： LED 存储器 ▪ FIFO 个数： 4 ▪ 存储深度： 1K ▪ 0℃ 70℃ ▪ GND: 采集卡底线端口 ▪ DAx: 模拟信号输出端口 ▪ CPx+: 比较器正输入端口 ▪ CPx: 比较器负输入端口 ▪ ADx+: 模拟信号差分输入正端口 ▪ ADx: 模拟信号差分输入正端 口 ▪ DX: 数字信号输入 /输出端口 ▪ EXx: 扩展端口，其中： EX1:内部工作时钟输出 EX2:计数器 1输入 EX3:PWM1输出 EX4:CP1状态输出， CP1+ CP1时 EX4为高电平 EX5:使用外部时钟时为外部时钟输入；使用内部时钟时为内部时钟输出 常州工学院毕业设计说明书 17 EX6:计数器 2输入 EX7:PWM2输入 EX8。 CP2状态输出， CP2+ CP2时 EX8为高电平 原理 2． 4． 1 数据信号采集功能 MPS010601具备多达八个通道的电压信号输入端口。 八个通道分别由两路 12位高性能ADC 和配套的多路开关组成，两路 ADC 进行同步转换。 MPS010601提供了三种通道模式：双通道、四通道和八通道。 值得一提的是，在双通道模式下两路采样是同步进行的，在一些要求较高的应用中有着重要作用。 噪声也是采集卡的一个重要性能参数，这里将对 MPS010601 的精度进行一个简单的测试。 通过把采集卡的差分输 入断接，可以得到一个理论上的零电压信号，但实际采集中受各种影响总会有一些噪声存在。 为了进一步提高有效分辨率和改善波形，可以软件中进行数字滤波。 MPS010601 的综合应用软件中就集成了平滑滤波的功能。 平滑滤波能降低噪声，但同时会减小带宽，用户可以根据需要进行设置。 2． 4． 2 信号输出功能 MPS010601具有多达四路的信号输出端口，每路最高都可以达到 80Ksps的输出刷新率，输出分辨率为 12位，并且四路输出是独立和同步的。 这些高端的配置可以满足绝大部分应用场合的要求。 在软件配合下， MPS010601 可以产生边界限制以内的任意波形。 正弦波、方波、三角波、锯齿波、直流电平自然不在话下，不但频率、幅值和相位可任意设置，而且可以人为的向信号中添加噪声，或是对信号进行各种运算和处理，更为强大的是，还可以由外部的波形文件中读取数据并输出，甚至可以用鼠标去手工绘制波形。 MPS010601提供了比较实用的信号发生器软件，使用该软件不但可以输出标准波形（正弦、方波、三角波、锯齿波、直流），还可以从数据文件中读取的波形或手工绘制的波形。 另。