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

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(jì)說明書(論文課程名稱:課程設(shè)計(jì)I設(shè)計(jì)題目:基于單片機(jī)單通道八位高速(10MHz數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系:班級:設(shè)計(jì)者:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)時(shí)間:哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要:利用單片機(jī)及一種高速異步FIFO 芯片SN74ACT7808和高速A/D芯片的設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)現(xiàn)原理和具體實(shí)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(jì)背景及相關(guān)知識(shí):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(dòng)采集非電量或者點(diǎn)亮信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集一直是一項(xiàng)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(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)處理,也不需要進(jìn)行連續(xù)采樣,只需要分時(shí)地進(jìn)行高速采樣,此時(shí)可采用FIFO芯片和高速A/D轉(zhuǎn)換器相結(jié)合,來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)自動(dòng)的保持同步。這樣就降低了數(shù)據(jù)處理部分所需單片機(jī)的性能要求,降

3、低了其成本。二.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì):該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心,應(yīng)用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5540實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,并利用FIFO芯片SN74ACT7808實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)自動(dòng)的保持同步,單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通訊,將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)中以便數(shù)據(jù)的查詢和分析,從而實(shí)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(biāo)。 三.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì):硬件電路包括了單片機(jī)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(hào)的采樣、量化、編碼,從而實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。選擇TLC5540

4、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換一是因?yàn)槠錇?位A/D轉(zhuǎn)換器,它的最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到40MHz,可達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)序是當(dāng)CLK為高電平時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),當(dāng)CLK為低電平時(shí)輸出有效數(shù)據(jù),一個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次。當(dāng)要從A/D中讀取數(shù)據(jù)時(shí),只要OE保持低電平即可,當(dāng)OE為高電平時(shí)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出

5、異步讀寫操作的雙端口存儲(chǔ)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(jìn)行擴(kuò)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(yàn)位用,這滿足了8位數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)。TI公司生產(chǎn)的SN74ACT7808的存取速度可以達(dá)到15ns。FIFO是一種新型的基于隊(duì)列存儲(chǔ)方式的存儲(chǔ)器,讀寫操作會(huì)自動(dòng)訪問存儲(chǔ)器中連續(xù)的存儲(chǔ)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(yù)先定義好了。對FIFO的讀寫操作只由讀寫信號(hào)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(shí)只要C- 保持為高電平同時(shí)使UNCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿;寫數(shù)據(jù)只要LD

6、CK產(chǎn)生一個(gè)上升沿即可。芯片引腳圖如下: (389C51單片機(jī):89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī),單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL 的89C51是一種高效微控制器,89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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(jì)原理與流程:(1原理概述:由于是高速數(shù)據(jù)采集,單片機(jī)相對A/D來說速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)巧妙的電路讓數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)自動(dòng)完成。在采樣期間,單片機(jī)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(jī)對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行的,即所謂的不連續(xù)采樣。當(dāng)然,這是針對高速數(shù)據(jù)采樣時(shí)采用的方法。在慢速采樣時(shí),完全可以實(shí)現(xiàn)邊采樣、邊讀數(shù)、邊處理的真正同步方式。(2設(shè)計(jì)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(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文） 單片機(jī)的P1.0腳通過與門與外部CLK時(shí)鐘相連，這樣單片機(jī)就可

8、以控制A/D的采樣。當(dāng)P1.0為高電 平時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)P1.0腳為低電平時(shí)A/D的CLK無脈沖，不進(jìn)行采樣。由A/D的數(shù)據(jù)采集時(shí)序與FIFO的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)序可知，將A/D的CLK和OE連接在一起，再通過一個(gè)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(yán)格的同步，不需要單片機(jī)來控制。當(dāng)FIFO保存的數(shù)據(jù)幾乎滿后 給單片機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)， 單片機(jī)接到中斷信號(hào)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?yàn)閱纹瑱C(jī)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(fù)， 完成周期性采樣。 四.總結(jié)與體會(huì) 本次設(shè)計(jì)從理論上分析相關(guān)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的要求，運(yùn)用單片機(jī)和相關(guān)芯片實(shí)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(shí)現(xiàn)了高速不連續(xù)數(shù)據(jù)采集，從而 降低了對單片機(jī)的性能需求，降低了系統(tǒng)的成本。但是由于計(jì)劃使用的軟件 Proteus 缺少相關(guān)芯片， 所以無法畫出標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行仿真實(shí) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文） 驗(yàn)更沒有進(jìn)行真實(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)，可能存在數(shù)據(jù)精度和功耗方面的問題；同時(shí)在系統(tǒng)在運(yùn)用過程中可能 會(huì)面臨的惡劣的自然環(huán)境，所以還需要針