基于arm的高速高精度数据采集系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于arm的高速高精度数据采集系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

基本上已达到国外数据采集器的中期水平。 这些数据采集装置的主控 CPU 主要采用单片机或 DSP，通信总线主 要为 PCI 总线或 ISA 总线。 现在具有代表性的数据采集装置基本上以数据采集卡为核心。 PCI 卡占据了数据采集卡的绝大部分市场。 这种数据采集卡需要插在 PC 机的 PCI 插槽上，所以需要将被测信号从工业现场传给 PC 机，进而由 PC 机控制数据采集任务。 但是工业现场环境较为复杂，工业现场到 PC 机的距离通常很长。 正是这一制约因素，使得信号在传输过程中会出现各种问题。 例如信号被衰减，有干扰信号混入，或者产生失真等等，导致最终采集到的信号误差很大。 为了解决这一致命的缺点，数据采集装置开始使用现场总线技术，如 CAN、 RS485 等总线，数据采集装置在工业现场采集数据并通过现场总线将数据传输到远程 PC 机处理，这种数据采集装置的优点是可以远程传输，但较低的传输速度限制了此类数据采集装置的应用领域 [4]。 进入 21 世纪，以 Inter 为代表网络通信技术发展和应用取得了前所未有的突破，数据采集的网络传输技术随着 Inter 技术的发展取得了一定的成果。 网络化的数据采集优势体现在：采集范围大、数据传输吞吐率高、远程控制等。 网络化远程监控己经成为数据采集技术发展的必然趋势。 目前，国内的数据采集卡市场由外国公司主导，高速和高精度数 据采集方面尤为突出。 目前国内外数据采集系统具有以下特点： (1) 利用各种微控制芯片来处理，采集速度越来越快，精度越来越高。 (2) 系统向着多参数、网络化方向发展。 (3) 系统自动化、智能化程度不断提高。 (4) 系统功耗逐渐降低，可扩展性进一步提高 [5]。 论文的主要内容 本文以基于 ARM 的嵌入式系统为核心，并综合应用高精度数据采集方法和网络通信接口技术，实现了基于 ARM 的通用高精度数据采集装置。 在分析国内数据采集系统的基础上，考虑到数据的采集速度、精度和系统可扩展性，选用了 Samsung 公司的 ARM7 微控制器 S3C44B0X，设计出一套通用性较强的数据采集系统。 实现了高速和高精度信号采集，显示及传 输等功能。 本文的主要研究内容如下： 第一章：本章首先介绍了课题研究的背景，然后介绍了本文所作的主要工作和本文结构安排。 第二章：系统相关技术介绍及总体设计，讲述数据采集的基本理论和数据采集系统的总体设计。 第三章：本章主要论述采集系统的硬件设计。 首先讲述采集卡硬件总体设计，然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现。 第四章：本章介绍了数据采集系统的软件设计，数据采集模块功能实现流程及一些子程序的设计和总体程序设计。 7 第 2 章 数据采集系统的总体设计 数据采集的相关原理 数据采集系统基本构成 通用的数据采集系统有硬件和软件两部分组成。 硬件部分主要完成数据采集，存储等功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理等功能。 与传统的中、低速数据采集系统相比，高速高精度数据采集系统有其特殊性。 首先，对于采样率高到一定程度的系统，很难用软件和常规的微机接口对其采样、转换过程进行控制。 在这种情况下，通常用硬件实现转换过程的控制和采样数据的同步；其次，如果系统的实 时性要求高，必须采用高速缓存对数据进行存储和高速 DS 芯片完成数字信号的实时处理。 高速高精度数据采集系统的主要任务是将外界模拟信号进行采集转换，然后送往计算机根据相关要求进行数据处理，其结构主要由信号调理、采样保持、模数转换和微机系统等部分组成，系统的结构框图如图 21 所示。 模 拟 信 号多路开关模 数 转 换 模 块微处理器存 储 器人 机 交 换 模 块 图 21 高速高精度数据采集系统框图 其中数据采集系统前置电路一般包括传感器、放大器和滤波器等，传感器把外界信号转变成模拟电量 (如热电偶传感器、流量传感器、 速度传感器等等 )，其转换后的信号一般比较微弱，需要进行放大处理，在传感器转换信号和放大器工作时，常常产生噪声信号影响采集的准确性，这就需要 8 滤波器降低各种噪声信号提高系统的信噪比。 数据采集系统中常常需要对多组模拟量进行采集，在模拟量信号变化周期不快的情况下就可以选用模拟多路开关，这样模数转换电路就可以只选取一套从而降低系统的开发成本。 其中模数转换器是数据采集系统中的核心部分，其性能决定了数据采集系统所能实现的功能。 数据采样原理 在数据采集系统中，信息总是用离散信号来表示的，而我们需要采集的信息 多是连续模拟信号，这样就必须解决连续信号如何离散化的问题。 我们通过对连续的模拟信号进行采样获得离散化信息。 因此理解和掌握采样定理对数据采集系统有着重要的意义。 数据采集就是指将时间和幅值上连续的模拟信号以周期性时间间隔截取，从而得到一串在时间上离散的信号，然后通过模数转换将其变换为数字信号的过程。 将连续的模拟信号转换成计算机可接受的离散数字信号首先需要采样得到离散模拟信号，然后通过 AD 转换变为数字信号。 采样过程包括采样、量化和编码。 采样时的采样周期决定了得到采样信号的质量，经过采样后的离散采样信号是否能代表模 拟信号的全部信息，奈奎斯特采样定理就是解决这一重要问题的理论，可以说是整个数据采集技术的基石。 采样脉冲信号在时间 T 间隔内对原模拟信号进行一次采样，奈奎斯特定理指出要使采样信号能不失真还原为原信号，就必须要求采样频率至少大于两倍的原信号最高频率。 采样后的离散信号幅值是时间上离散而幅值连续的信号，它不能直接输入微处理器处理，必须经过量化把它变为数字信号处理。 量化就是用一组数码来代表采样过后的信号幅值，将其数字化。 一般量化有两种处理方法，有舍有入和只舍不入。 量化结果的位数是有限制的，必须经过数学方式处理，所以这就 带来了量化误差，量化误差的具体值是由其结果所用的处理方式有关。 编码就是采用采样过程的最后一步，应用中通常采用二进制编码进行，分为单极性与双极性两种编码方式。 数据采集系统的主要性能指标：通道数，即系统采集通道的个数；分辨率，采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量；系统精度，是实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，和系统分辨率还是有 9 区别的；采集速率，是指在满足系统精度的前提下，对模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数；动态范围，通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数；非线性失真，也 称谐波失真是指当系统输入一个频率为 f 的正弦波时其输出中出现很多频率为 kf 的频率分量 [6]。 多路数据采集系统的总体方案 数据采集系统设计目标 本文设计了一种基于 ARM7S3C44B0X 处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统。 它的主要设计目标是： (1) 实时性强。 系统的主要工作是对大量的过程状态参数实时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。 因此要求硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。 (2) 可靠性高。 他是系统设计的一个重要要求。 由于数据采集系统往往是安放在被控 对象的工作环境中，所以不仅温度、湿度大，而且腐蚀多，干扰也很多，为了确保系统的可靠性，要求系统有较好的抗干扰能力和采集速度。 (3) 通用性好，便于扩充。 一台以嵌入式系统为核心的控制装置，一般可以控制多个设备和过程参数，这就要求系统的通用性要好，能灵活的进行功能扩充。 (4) 结构简单，功耗低，性能优良。 系统的整体设计 本文设计的高速高精度数据采集系统有硬件和软件两部分组成。 而硬件部分主要完成数据采集、存储功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理。 该系统的控制核心 Samsun 公司推出的 16/32 位 RISC 处理器 S3C44B0X。 它 为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。 为了降低成本， S3C44B0X 提供了丰富的内置部件： 8KB Cache， 可选的内部 SRAM， LCD 控制器，带自动握手的 2 通道 UART， 4 通道 DMA， 系统 10 管理器（片选 FP/EDO/SDRAM 控制器），带 PWM 功能的 5 通道定时器 ， I/O端口 ， RTC， 8 通道 10 为 ADC， IIC 总线接口 ， IIS 总线接口，同步 SIO 接口和 PLL 倍频器。 S3C44B0X 采 ARM7TDMI 内核， 工艺的 CMOS标准宏单元和存储编译器。 它低功耗，精简，出色和全静态的设计特别适用于成本和功耗敏感的应用。 同样 S3C44B0X 还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII(SAMSUNG ARM CPU 嵌入式微处理器总线结构 )。 S3C44B0X 的显著特性时它的 CPU 核 ， 是由 ARM 公司设计的 16 或 32 位的 ARM7TDMI最高为 66MHz 的 RISC 处理器。 微处理器 S3C44B0X 提供全面的，通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。 系统以 S3C44B0X 为数据采集模块核心处理器 ，采用模块化方法设计，按照功能的不同，分为电源电路、通道选择电路、模数转换电路、通信电路、多路开关及信号调理电路、计算机人机交互界面部分，数据采集系统整体结构图 22 所示。 模 拟 通 道 一多路开关模 拟 通 道 八模 拟 通 道 二模 拟 通 道 七. . .电 压 跟 随 模 数 转 换微处理器数 据 缓 存键 盘显 示 22 高速高精度数据采集系统的电路框图 数据采集系统工作流程：传感器输入的模拟信号经过信号调理电路的处理（包括隔离、变换、放大、滤波等各种处理）以满足数模转换芯片对输入电平和信号质量的要求，然后通过多路开关进行信号选择，选通的信号由高性能高速电压反馈放大器 AD8021 的进 一步的处理获得更精确，精度更高的模拟信号，在微处理器的控制下模拟信号通过 16 位 逐次渐近型模数转换器 AD7663 的转换处理存入数据缓存，进一步通过 S3C44B0X 处理 11 器的控制的显示、键盘模块实现人机交换功能。 同时多路开关的选择与控制有微处理器控制。 软件部分的设计分为两个部分，分别为数据采集系统控制软件和数据程序处理两个部分。 软件设计共包括五部分：通道选择，数据采集处理，数据存储，数据显示和键盘控制。 系统各模块功能概述： (1) 多路开关及信号调理模块 模拟多路开关是数据采集系统的一个重要部分，通常在多路被 测信号共用一路 A/D 转换器的采集系统中用来把多路信号有条理的传送到 A/D 转换器中去，以完成多路信号的数据采集。 本系统采用的是 8 通道模拟多路复用器 MAX308EPE 实现 8 路模拟信号的采集。 信号调理电路主要基于AD623 与 MAX291 芯片的自行设计电路。 信号调理电路主要用来对传感器输入的信号进行隔离、变换、放大、滤波等等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求，同时大大的简化了信号调理电路的设计，简化了外围电路。 多开关由微处理器 S3C44B0X 进行控制选择。 (2) 模数转换模块 本模块由两部分组 成：信号驱动放大器 AD8021 与 具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性 的 基准电压源 ADR421 提供基准电压的模数转换芯片 AD7663。 传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路 AD8021 的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过 分辨率高，采样速率高，功耗小 的模数转换芯片 AD7663 的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。 (3) 存储模块 传统的数据采集系统由于数据传输率较低，数据量小，一般可以完成实时分析和处理，所以存储问题不突出。 但 高数高精度数据采集系统的数据传输率很高并且数据量很大，采集速度达到一定的限度就无法进行实时分 析和 处 理 ，所 以 合 适的 存 储 器显 得 很 有必 要。 本设 计 采 用的 是SST39VF160 芯片。 它具有成本低和密度大的优点，能很好的完成本系统的存储要求，把通过内部 AD7663 模块转换成数字量，经通信端口送入计 12 算机进行下一步处理。 (4) 键盘模块 键盘扫描过程就是有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。 一旦处理器判定有一个键被按下，键盘扫描程序就会滤掉抖动，然后再判定是哪个键被按下。 每个键被分配一个称为扫描码的唯一标示 符，应用程序利用该扫描码来判断应按下了什么键。 本设计就是采用的 是 44矩阵 键盘 ，完成人机交换的键盘控制。 (5) 显示模块 S3C44B0X 内部有一个 LCD 控制器，只需要在外部接一个液晶驱动模块就可以具有显示功能了。 本设计设置了 LCD 液晶显示驱动模块与S3C44B0X 的连接模式，包括接口方式，寄存器的编程。 本模块达到了微处理器与显示器的数据传输，实现了显示的功能。 本设计主要有这五个模块组成，他们在一起共同组成了本数据采集系统的硬件基础，同时还有高速高精度的性能。 软件设计是数据采集系统的硬件控制部分，它们共 同构成了高速高精度数据采集系统。 实现了设计要求 [7]。