基于單片機單通道八位高速(10MHz)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、 H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y課程設(shè)計說明書(論文課程名稱:課程設(shè)計I設(shè)計題目:基于單片機單通道八位高速(10MHz數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計院系:班級:設(shè)計者:學號:指導教師:設(shè)計時間:哈爾濱工業(yè)大學摘要:利用單片機及一種高速異步FIFO 芯片SN74ACT7808和高速A/D芯片的設(shè)計了一個高速不連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),給出了該采集系統(tǒng)的接口電路,并闡述它的實現(xiàn)原理和具體實現(xiàn)流程。關(guān)鍵詞:高速異步FIFO;高速A/D芯片;高速不連續(xù)采樣;數(shù)據(jù)采集一. 設(shè)計背景及相關(guān)知識:數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單

2、元中自動采集非電量或者點亮信號,送到上位機中進行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。在數(shù)字信號處理領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集一直是一項關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更快、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展趨勢。而為了滿足高速采集系統(tǒng)的要求,CPLD,DSP 等高速器件被運用于數(shù)據(jù)采集。然而,在許多情況下,數(shù)據(jù)既不需要進行實時處理,也不需要進行連續(xù)采樣,只需要分時地進行高速采樣,此時可采用FIFO芯片和高速A/D轉(zhuǎn)換器相結(jié)合,來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲自動的保持同步。這樣就降低了數(shù)據(jù)處理部分所需單片機的性能要求,降

3、低了其成本。二.系統(tǒng)的總體設(shè)計:該系統(tǒng)采用89C51單片機作為控制系統(tǒng)的核心,應用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5540實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,并利用FIFO芯片SN74ACT7808實現(xiàn)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲自動的保持同步,單片機與上位機進行通訊,將采樣數(shù)據(jù)存儲在上位機中以便數(shù)據(jù)的查詢和分析,從而實現(xiàn)高速地單通道8位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集這些系統(tǒng)性能指標。 三.硬件系統(tǒng)設(shè)計:硬件電路包括了單片機模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)通信模塊。硬件電路原理圖: 1.器件的性能介紹和選擇原因:(1高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5540:A/D轉(zhuǎn)換器主要是完成對模擬信號的采樣、量化、編碼,從而實現(xiàn)將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。選擇TLC5540

4、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換一是因為其為8位A/D轉(zhuǎn)換器,它的最高轉(zhuǎn)換速率可以達到40MHz,可達到本次課設(shè)對數(shù)據(jù)采集速度的要求,也滿足了8位數(shù)據(jù)的要求。同時其內(nèi)部含有采樣保持器,不需要額外添加,較為方便,利于后續(xù)整體系統(tǒng)的編程實現(xiàn)。并且TLC5540是一款高速、低功耗。TLC5540的使用方法非常簡單,它的數(shù)據(jù)采集時序是當CLK為高電平時轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),當CLK為低電平時輸出有效數(shù)據(jù),一個時鐘周期轉(zhuǎn)換一次。當要從A/D中讀取數(shù)據(jù)時,只要OE保持低電平即可,當OE為高電平時D1-D8為高阻態(tài)。芯片引腳圖如下: (2FIFO芯片:這里采用的SN74ACT7808是2048字節(jié)x9位可以實現(xiàn)先進先出

5、異步讀寫操作的雙端口存儲器。它允許多片級聯(lián),可以在字節(jié)寬度和容量深度兩方面進行擴展。SN74ACT7808采用9位數(shù)據(jù)寬度,第9位可以根據(jù)用戶需要做控制位或奇偶校驗位用,這滿足了8位數(shù)據(jù)采集的指標。TI公司生產(chǎn)的SN74ACT7808的存取速度可以達到15ns。FIFO是一種新型的基于隊列存儲方式的存儲器,讀寫操作會自動訪問存儲器中連續(xù)的存儲單元。從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)順序與寫入的順序相同,地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預先定義好了。對FIFO的讀寫操作只由讀寫信號控制,不需要另外的地址信息。這使得FIFO的控制電路變得十分簡單:讀數(shù)據(jù)時只要C- 保持為高電平同時使UNCK產(chǎn)生一個上升沿;寫數(shù)據(jù)只要LD

6、CK產(chǎn)生一個上升沿即可。芯片引腳圖如下: (389C51單片機:89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位單片機,單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL 的89C51是一種高效微控制器,89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。(4顯示模塊采用LCD并聯(lián)顯示,選擇的是YXY8002。LCD是液晶顯示器,其工作電流小,重量請、功耗低、壽命長,字跡清晰美觀,性能優(yōu)于LCD

7、。芯片引腳圖如下: 2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口電路設(shè)計原理與流程:(1原理概述:由于是高速數(shù)據(jù)采集,單片機相對A/D來說速度遠遠不夠,所以需要設(shè)計一個巧妙的電路讓數(shù)據(jù)采集與存儲自動完成。在采樣期間,單片機可以做自己的數(shù)據(jù)處理和其它工作。采樣結(jié)束后,再由單片機對采集來的數(shù)據(jù)進行處理。完成后,又繼續(xù)采樣。數(shù)據(jù)采樣與處理是交替進行的,即所謂的不連續(xù)采樣。當然,這是針對高速數(shù)據(jù)采樣時采用的方法。在慢速采樣時,完全可以實現(xiàn)邊采樣、邊讀數(shù)、邊處理的真正同步方式。(2設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體的數(shù)據(jù)采集流程:流程圖:哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書（論文） 單片機的P1.0腳通過與門與外部CLK時鐘相連，這樣單片機就可

8、以控制A/D的采樣。當P1.0為高電 平時進行采樣，當P1.0腳為低電平時A/D的CLK無脈沖，不進行采樣。由A/D的數(shù)據(jù)采集時序與FIFO的 數(shù)據(jù)存儲時序可知，將A/D的CLK和OE連接在一起，再通過一個反向器與FIFO的連在一起，這樣，數(shù)據(jù) 的采集與數(shù)據(jù)保存到FIFO中就保持了嚴格的同步，不需要單片機來控制。當FIFO保存的數(shù)據(jù)幾乎滿后 給單片機一個中斷信號， 單片機接到中斷信號后置P1.0為低電平停止采樣， 然后把數(shù)據(jù)從FIFO中讀出。 因為單片機的WR經(jīng)反向器后接到FIFO的UNCK， P2.7接到FIFO的OE， 這樣從FIFO中讀數(shù)據(jù)就像讀外部RAM 一樣，它的有效地址只需引腳為高

9、電平即可（如0FFFH）。數(shù)據(jù)處理完畢后再接著采樣，如此反復， 完成周期性采樣。 四.總結(jié)與體會 本次設(shè)計從理論上分析相關(guān)指標達到了預期的要求，運用單片機和相關(guān)芯片實現(xiàn)了單通道 8 位 高速數(shù)據(jù)采集，并且利用高速 FIFO 芯片與降高速 A/D 芯片相結(jié)合實現(xiàn)了高速不連續(xù)數(shù)據(jù)采集，從而 降低了對單片機的性能需求，降低了系統(tǒng)的成本。但是由于計劃使用的軟件 Proteus 缺少相關(guān)芯片， 所以無法畫出標準的 PCB 圖和原理圖，只能畫出簡單的硬件電路連接的基本原理圖，沒有進行仿真實 哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書（論文） 驗更沒有進行真實的硬件實驗，可能存在數(shù)據(jù)精度和功耗方面的問題；同時在系統(tǒng)在運用過程中可能 會面臨的惡劣的自然環(huán)境，所以還需要針