基于ADuC845的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計說明

37/41基于ADuC845的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計璐（理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)11級2班，723003）指導(dǎo)教師：偉[摘要]本文設(shè)計使用ADuC845單片機(jī)對低頻電壓信號進(jìn)行16位高精度數(shù)據(jù)采集，其系統(tǒng)軟件設(shè)計部分用C語言在Keil上進(jìn)行編程，使用VC編寫USB上位機(jī)程序，完成數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)硬件通過ADuC845部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將從外界采集到的電壓信號經(jīng)過串口RS232發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時顯示。該設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個基于ADuC845單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能，分辨率可達(dá)到1/5000，能夠?qū)崿F(xiàn)14位的數(shù)據(jù)輸出。該系統(tǒng)的采集精度大大提高，更加適用于高速度、高精度數(shù)據(jù)采集的實(shí)際工業(yè)測控。[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)采集；ADuC845；模數(shù)轉(zhuǎn)換；基準(zhǔn)電壓DataAcquisitionSystemDesignBasedOnADuC845LiLu(Grade2011,Class2,Majorelectronicsandinformationengineering，SchoolofPhysicsandTelecommunicationengineering，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723000，Shanxi)Tutor:QinWei[Abstract]:ThisarticleisbasedonADuC845singlechipdesign,16bithighprecisiondataacquisitionforlowfrequencyvoltagesignal.ThesoftwaredesignofthesystemisprogrammedwithClanguageinKeil,VCPCprogramwrittenusingUSBtocompleteparametrictransmissionandgraphicsdisplay,thehardwareofthesystemiscollectedfromtheoutsidetothethroughtheserialADuC845oftheserialRS323tothePC.ThebasicfunctionofdataacquisitionsystembasedonADuC845MCUisrealized,resolutioncanreach1/5000,canachieve14bitdataoutput.Thebiggestadvantageofthedesignisthattheaccuracyofthesystemisgreatlyimproved,andmoresuitablefortheactualindustrialmeasurementandcontrolofhighspeedandaccuracydataacquisition.[Keywords]:Dataacquisitionsystem;ADuC845;Analogtodigitalconversion;Referencevoltage目錄TOC\o"1-3"\h\u144931.引言1300611.1課題背景與研究意義120681.1.1課題背景1170321.1.2研究意義148341.2課題的主要研究容1240351.3本章總結(jié)1223022.系統(tǒng)總體設(shè)計2290282.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理247632.2系統(tǒng)設(shè)計要求與性能指標(biāo)264122.2.1系統(tǒng)設(shè)計要求2227612.2.2系統(tǒng)設(shè)計性能指標(biāo)2111252.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選擇367452.4本章小結(jié)38353.系統(tǒng)硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)4113163.1系統(tǒng)硬件設(shè)計方案4146023.2系統(tǒng)核心處理器選擇490833.3單元模塊電路設(shè)計53109V基準(zhǔn)電壓579263.3.2滑動變阻器模擬輸入5168463.3.3按鍵電路6169783.3.4LED顯示電路7237613.3.5USB協(xié)議轉(zhuǎn)串口協(xié)議8296023.3.6復(fù)位電路933213.3.7硬件最小系統(tǒng)設(shè)計10136993.4系統(tǒng)硬件總體設(shè)計1129853.5本章小結(jié)1145514系統(tǒng)軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)1211964.1系統(tǒng)軟件開發(fā)工具1285594.2系統(tǒng)軟件設(shè)計分析1269764.3軟件設(shè)計的原則和編程方法13276904.4系統(tǒng)功能模塊子程序設(shè)計14292584.5上位機(jī)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計1565354.6本章總結(jié)15190455.系統(tǒng)調(diào)試1724915.1系統(tǒng)硬件調(diào)試17176265.1.1系統(tǒng)硬件調(diào)試方法和調(diào)試過程1769825.1.2系統(tǒng)硬件調(diào)試結(jié)果17263965.2系統(tǒng)軟件調(diào)試1789515.2.1系統(tǒng)軟件調(diào)試方法和調(diào)試過程17110705.2.2系統(tǒng)軟件調(diào)試結(jié)果17207565.3系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)1833275.4系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析19216725.4本章總結(jié)19164836.總結(jié)20220796.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計成果20261016.2展望20280656.3本章總結(jié)2029217致214683參考文獻(xiàn)22107附錄A外文翻譯2329959附錄B元器件清單313862附錄C系統(tǒng)硬件電路圖326179附錄D實(shí)物圖3330041附錄E源程序341.引言1.1課題背景與研究意義1.1.1課題背景本課題研究的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于工業(yè)測控、醫(yī)療儀器以與消費(fèi)電子產(chǎn)品中。其中，隨著工業(yè)測控的發(fā)展，其工業(yè)測控環(huán)境越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)工業(yè)測控的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們對所采集到的數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定度的要求。數(shù)據(jù)采集是信息處理中不可缺少的重要組成部分，在工業(yè)測控、醫(yī)療儀器以與消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度提出了更高的要求。本課題設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于以ADuC845單片機(jī)為核心的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，ADuC845非常適用于精密儀器儀表，用于對溫度、濕度、壓力、應(yīng)變信號等的數(shù)據(jù)采集與處理，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)測控現(xiàn)場，很好的解決了工業(yè)控制采集信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。研究此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以很好地了解和學(xué)習(xí)ADuC845芯片的基本原理、性能以與其應(yīng)用領(lǐng)域，熟悉ADuC845單片機(jī)的工作方式，通過實(shí)驗(yàn)提高對ADuC845芯片的理解，了解ADuC845和傳感器之間的接口方法，掌握輸入程序的設(shè)計、調(diào)試方法。1.1.2研究意義在工業(yè)測控中，數(shù)據(jù)采集十分重要，我們需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，然而，工業(yè)測控環(huán)境又十分復(fù)雜，受到光強(qiáng)、溫度、濕度等眾多因素的干擾，這對我們所采集到的數(shù)據(jù)有很大的影響，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定度，鑒于這些問題，本課題設(shè)計了一個基于ADuC845單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠較好的克服復(fù)雜的工業(yè)測控環(huán)境對采集數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定度的干擾，這樣可以更好的測得更加精確和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，使得工業(yè)測控可以更快更好的發(fā)展。1.2課題的主要研究容受A/D轉(zhuǎn)換器芯片發(fā)展水平的限制，目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很難同時做到高精度和高速度的數(shù)據(jù)采集，本課題主要是設(shè)計一個基于ADuC845單片機(jī)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該控制器具有數(shù)據(jù)采集、顯示、記錄等功能，能夠很好地改善以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高精度和高速度之間的矛盾。根據(jù)系統(tǒng)要求選用合適的模塊來組建硬件平臺，利用ADuC845單片機(jī)[1]來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)計系統(tǒng)模擬信號調(diào)試電路、復(fù)位電路、基準(zhǔn)電壓電路、按鍵電路、LED顯示電路以與串口通信電路。軟件部分采用模塊化的設(shè)計方法，通過編寫各個功能模塊來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，程序采用C語言進(jìn)行設(shè)計。主要包含AD轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、通信模塊子程序、以與鍵盤掃描等子程序。在軟件部分同時給出相應(yīng)的編譯與仿真軟件的介紹。在系統(tǒng)硬件設(shè)計基本完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，在單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作，系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括各個模塊的驅(qū)動程序的設(shè)計，主程序部分主要完成系統(tǒng)對各個硬件的初始化工作，子程序主要是完成和單片機(jī)進(jìn)行交互并實(shí)現(xiàn)本部分的功能。1.3本章總結(jié)受A/D轉(zhuǎn)換器芯片發(fā)展水平的限制，目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很難同時做到高精度和高速度的數(shù)據(jù)采集，本課題主要是設(shè)計一個基于ADuC845單片機(jī)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該控制器具有數(shù)據(jù)采集、顯示、記錄等功能，能夠很好地改善以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高精度和高速度之間的矛盾。2.系統(tǒng)總體設(shè)計2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，然后將其發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行分析處理。一般情況下，一定要在數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行信號采集之前對傳感器信號進(jìn)行調(diào)制，其中包括對傳感器信號進(jìn)行增益或者衰減以與隔離，放大，還有濾波等等。對于某些傳感器，還需要對其提供激勵信號。一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由信號調(diào)理、采樣／保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換以與定時／計數(shù)器等部分組成。一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是對從傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后把這些轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入到計算機(jī)或者其他專用信號處理設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并且可以按需要的形式輸出處理結(jié)果[2]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大致可以分為三種：基于通用型微型計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的主要功能是將采集器采集到的信號通過相應(yīng)的總線接口擴(kuò)展電路送入微型計算機(jī)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它主要包含以下幾個特點(diǎn)：（1）較強(qiáng)的軟件、硬件支持。通用型微型計算機(jī)系統(tǒng)所有的軟件、硬件資源都可以用來支持整個系統(tǒng)的工作。（2）具備自主開發(fā)能力。（3）系統(tǒng)的軟件硬件的應(yīng)用/配置比很小，在第二次開發(fā)時軟件和硬件的擴(kuò)展功能較好。（4）在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的可靠性比較差，對其安放的應(yīng)用環(huán)境要求比較高。基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要是由單片機(jī)和其他一些外圍芯片所構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是近年來微型計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)果，目前，主要由51、FPGA、CPLD、ARM、DSP等芯片構(gòu)成，它具有以下一些特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力。系統(tǒng)的軟件和硬件開發(fā)必須借助相應(yīng)的開發(fā)工具才能完成。（2）系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計與系統(tǒng)配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能要求為原則，因此，系統(tǒng)的軟件硬件的應(yīng)用配置比接近于1.（3）可靠性好、使用方便。應(yīng)用程序在ROM中運(yùn)行不會因?yàn)橥饨绲母蓴_而被破壞，而且上電后立即進(jìn)入用戶狀態(tài)。基于混合型計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是一種近幾年來在計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。它主要是由通用型計算機(jī)（PC機(jī)）與單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)總線（如RS232、RS485、CAN、USB等）相連而成。單片機(jī)和它的外圍電路與設(shè)備所組成的部分是為數(shù)據(jù)采集等功能的要求配置的，主機(jī)則是用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)對話、大容量的計算、存儲記錄、打印以與圖形顯示等。混合型計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）一般都具備自主開發(fā)能力。（2）系統(tǒng)的配置比較靈活，比較容易構(gòu)成各種大中型測控系統(tǒng)。（3）主機(jī)可以構(gòu)成各種局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（4）合理充分的利用主機(jī)所提供的資源，但不會占有主機(jī)的全部CPU時間。2.2系統(tǒng)設(shè)計要求與性能指標(biāo)2.2.1系統(tǒng)設(shè)計要求數(shù)據(jù)采集是信息處理中不可缺少的重要組成部分，在工業(yè)測控、醫(yī)療儀器以與消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度提出了更高的要求。本課題設(shè)計了一種以ADuC845單片機(jī)為核心的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADuC845單片機(jī)部帶有24位△-∑ADC，非常適用于精密儀器儀表，用于對溫度、濕度、壓力、應(yīng)變信號等的數(shù)據(jù)采集和處理。2.2.2系統(tǒng)設(shè)計性能指標(biāo)(1)AD轉(zhuǎn)換有效分辨精度≥1/5000，AD采樣速率在10~100Hz；(2)數(shù)據(jù)輸出：RS232,16位數(shù)據(jù)輸出，可以和PLC和電腦連接通信；(3)可通過上位機(jī)PC啟停AD數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)在計算機(jī)上實(shí)時顯示。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選擇方案一：采用以STC89C52單片機(jī)作為控制器的核心器件，以ADC0809作為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過RS485總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和控制。方案二：采用以ADuC845單片機(jī)為核心和其他芯片構(gòu)成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可通過上位機(jī)PC啟停AD數(shù)據(jù)采集，使其采集的數(shù)據(jù)在計算機(jī)上實(shí)時顯示。通過對比兩個設(shè)計方案，由于以STC89C52單片機(jī)和ADC0809等外圍電路所組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的精度遠(yuǎn)小于以ADuC845單片機(jī)為核心處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的精度，ADuC845單片機(jī)可達(dá)到24位高精度[3]的數(shù)據(jù)輸出，因此，最終選擇了以ADuC845單片機(jī)作為控制器的核心器件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案二。2.4本章小結(jié)本章主要是對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案的分析與選擇以與對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計的一個簡單介紹，主要是從它的系統(tǒng)設(shè)計要求、系統(tǒng)設(shè)計性能指標(biāo)等方面對該系統(tǒng)設(shè)計的一個總體介紹，同時對比兩種不同的設(shè)計方案，選擇更加合適的設(shè)計方案，使人們對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一個總體認(rèn)識。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求選擇合適的模塊來組建硬件平臺，利用ADuC845單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)計系統(tǒng)模擬信號采集電路、復(fù)位電路、基準(zhǔn)電壓電路、按鍵電路、LED顯示電路以與串口通信電路等模塊電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖3.1所示復(fù)位電路模塊復(fù)位電路模塊ADuC845信號調(diào)理模塊基準(zhǔn)電壓模塊RS232串口通信按鍵電路模塊LED顯示電路模塊PC機(jī)圖3.1系統(tǒng)硬件框圖3.2系統(tǒng)核心處理器選擇ADI公司的MicroConverter數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)芯片(SOC)－ADuC845芯片在部集成了ADI公司的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其可以對微控制器(MCU)和閃速存儲器進(jìn)行編程，以便為需要精確測量寬動態(tài)圍低頻信號的設(shè)計者提供更好的解決方案。ADuC845是一個高性能的24位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[4]，它部集成有兩個高分辨率的模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）以與10或8通道輸入多路復(fù)用器。與此同時，它還可以提供62K字節(jié)的閃速/電可擦除程序存儲器，4K字節(jié)閃速/電可擦除數(shù)據(jù)存儲器和2034字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。ADuC845可以通過一個32KHz的外部晶振使其部鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生一個12.58MHz的高頻時鐘信號，該時鐘可以通過一個從微控制器（MCU）核心時鐘工作頻率分離的可編程時鐘發(fā)送。芯片部的微控制器是一個被優(yōu)化的但指令周期為8052的閃存MCU。這個芯片的兩個相互獨(dú)立的ADC由一個輸入多路復(fù)用器和一個溫度傳感器以與一個可以直接測量低幅度信號的可編程增益放大器組成，主ADC和輔助ADC都是采用高頻“斬波”技術(shù)來為其提供直流失調(diào)以與失調(diào)漂移的指標(biāo)，因此其非常適合使用在低溫漂而且對噪聲抑制和以與對電磁干擾能力要求比較高的應(yīng)用場合。ADuC845具有串行下載和調(diào)度模式[5]，可通過EA引腳提供引腳競爭模式，同時支持QuickStart開發(fā)系統(tǒng)和一些較低成本的軟件以與硬件工具。ADuC845的部主要通過兩個多通道都可以達(dá)到24位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和一個8位的可以編程的微控制器來組成。在正常工作時，ADuC845的電源最大為4.8mA/3.6V(coreclk=1.57MHz)，而且該器件本身具有掉電和空閑兩種工作狀態(tài)?？捎?V和5V電壓使其工作。部分引腳的功能：P1.0~P1.7：輸入口模擬量/數(shù)字量，P1.0/AIN1與P1.1/AIN2可組成真正的差分輸入。P1.0/AIN1與ANICOM可組成假差分輸入，P1.2/REFIN2+的另一功能是作為第2個外部差分參考輸入的正端。P1.6/IEXC1和P1.7/IEXC2也可用作電流源。AVDD，AGND，DVDD，DGND：分別為模擬正電源電壓和模擬地，以與數(shù)字正電源電壓和數(shù)字地。REFIN-(+)：外部差分參考輸入AINCOM/DAC。RESET：復(fù)位輸入。P3.0~P3.7：雙極端口，帶部上拉電阻，第2功能和51單片機(jī)一樣，具體如下：P3.0/RxD,P3.1/TxD,P3.2/INT0,P3.3/INT1,P3.4/T0,P3.5/T1,P3.6/WR,P3.7/RD。XTAL1XTAL2：接外部晶振。EA：外部訪問使能，邏輯輸入。為高時，該輸入可使設(shè)備從部程序存儲器0000H-F7FFH處取出代碼。ADuC845沒有外部程序存儲器，為決定代碼執(zhí)行模式，EA在外部復(fù)位之后被采樣。PSEN：程序存儲使能，邏輯輸出。在部程序執(zhí)行時保持高電平。當(dāng)上電或復(fù)位通過電阻拉至低電平時，還可用作使能串行下載模式，由[6,2-3]可知。3.3單元模塊電路設(shè)計V基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓是當(dāng)代模擬集成電路極其重要的組成部分，它可以給串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、A/D轉(zhuǎn)化器和D/A轉(zhuǎn)化器提供基準(zhǔn)電壓，而且大多數(shù)的傳感器的穩(wěn)壓供電電源或者激勵源也是使用它。與此同時，基準(zhǔn)電壓源也能作為標(biāo)準(zhǔn)電池、儀器表頭的刻度標(biāo)準(zhǔn)和精密電流源等。當(dāng)ADC使能時，在VREF引腳會出現(xiàn)基準(zhǔn)電壓，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時，可將該2.5V的基準(zhǔn)電壓當(dāng)作參考電源來使用。基準(zhǔn)電壓電路如圖3.2所示圖3.22.5V基準(zhǔn)電壓電路圖3.3.2滑動變阻器模擬輸入ADC正常工作的模擬輸入圍為0~+2.5V，而允許輸入的電壓圍必須是正電壓0~+5V（最大值為+5V），如果輸入的模擬電壓值超過+2.5V（最大值為+5V），則ADC的采樣結(jié)果就是其最大值（0FFFH），但是如果輸入的模擬電壓是負(fù)值，則會出現(xiàn)ADC的基準(zhǔn)電壓消失和采樣結(jié)果不正確的結(jié)果，而且如果輸入負(fù)電壓時間過長，則有可能會損壞芯片。所以，在一些實(shí)際應(yīng)用中，如果發(fā)現(xiàn)啟動ADC之后VREF端無電壓，則需要立即對芯片進(jìn)行復(fù)位，并檢查模擬輸入信號的采樣部分，在保證輸入的模擬信號在0~+2.5V的圍之后，才可以重新啟動ADC，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)該確保輸入的模擬電壓為正電平。滑動變阻器模擬輸入電路圖如圖3.3所示圖3.3滑動變阻器模擬輸入電路圖3.3.3按鍵電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：直接按鍵和矩陣編碼鍵盤。直接按鍵的每個鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個I/O口上，直接按鍵則通過判斷按鍵端口的電位即可識別按鍵操作，而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識別。如果所需的按鍵少，可采用直接按鍵，每只按鍵接單片機(jī)的一條I/O線，通過對顯示的查詢，即可識別各按鍵的狀態(tài)。當(dāng)無按鍵按下時，各線上均輸入高電平，當(dāng)某按鍵按下時，與其相連的I/O線將得到低電平輸入。按鍵電路如圖3.4所示圖3.4按鍵電路3.3.4LED顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常用LED顯示器和LCD顯示器作為顯示電路。本課題采用的兩個LED，高電平選通，低電平點(diǎn)亮，通過兩個LED的點(diǎn)亮與否判斷AD采集的啟停。而且LED顯示清晰、亮度高、適用電壓低、壽命長，因此本課題選擇LED做顯示電路。LED顯示電路如圖3.5所示圖3.5LED顯示電路圖3.3.5USB協(xié)議轉(zhuǎn)串口協(xié)議USB轉(zhuǎn)串口即實(shí)現(xiàn)計算機(jī)USB接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換，為沒有串口的計算機(jī)提供通訊通道，而且，使用USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備等于將傳統(tǒng)的串口設(shè)備變成了即插即用的USB設(shè)備。USB(UniversalSerialBus)全稱是通用串口總線，它是近幾年來應(yīng)用于PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，它是一種為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾制定的一種通用串行接口。數(shù)據(jù)通信協(xié)議部分是USB的核心容，主要包括以差模串行信號為載體傳送二進(jìn)制代碼來傳輸信號，數(shù)據(jù)包作為最基本的完整信息單元，包含一系列數(shù)據(jù)信息。為了細(xì)化USB的通信機(jī)制，USB協(xié)議的開發(fā)者采用了分層的概念，每一層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對其他邏輯層是透明的，USB設(shè)備和USB主機(jī)通信的邏輯結(jié)構(gòu)和每層的邏輯通道，在HOST端，應(yīng)用軟件不能直接訪問USB總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機(jī)控制器來訪問USB總線，在USB總線上和USB設(shè)備進(jìn)行通訊。USB總線屬于一種輪詢式總線，主機(jī)控制器端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸，每一總線動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包，包括令牌、數(shù)據(jù)、聯(lián)絡(luò)。USB的數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個USB設(shè)備的指定端口之間，這種主機(jī)軟件和USB設(shè)備的端口間的聯(lián)系稱作通道，總的來說，各通道之間的數(shù)據(jù)流動是相互獨(dú)立的，一個指定的USB設(shè)備可有許多通道，其傳輸類型有控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。ADuC845有三種串行輸入/輸出接口：通用串行異步接口、串行外設(shè)接口(SPI)和I2C串行接口。ADuC845的UART串行接口可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時串口是增強(qiáng)型的：具有接受緩沖，在第一個字節(jié)從寄存器讀出之前可以從最開始來接收第二個字節(jié)，若在第二個字節(jié)接收完成時，第一個字節(jié)還沒有讀出時，其中的一個字節(jié)就會丟失。串口具有四種操作模式：模式0：串行數(shù)據(jù)可以通過引腳RxD來進(jìn)出，TxD引腳用來輸出時鐘，每一次發(fā)送或者接收都以LSB的最低位作為首位，每次輸出八位，而且波特率總是MCU時鐘頻率的1/12.模式1：TxD引腳是發(fā)送端，RxD引腳則是接收端，每次數(shù)據(jù)都是10位，一個起始位（容總是’0’）和8個數(shù)據(jù)位以與一個停止位（容總是’1’），波特率可以改變，是由定時器1的速率來決定的。模式2：TxD引腳是發(fā)送端，RxD引腳是接收端，每次數(shù)據(jù)都是11位，1位起始位“0”和8個數(shù)據(jù)位，還有一個可編程第九位數(shù)據(jù)以與1個停止位“1”。發(fā)送數(shù)據(jù)時，第九個數(shù)據(jù)位可以置0或置1，接收時，第九位數(shù)據(jù)存放在SCON的RB8位，比特率可以編程為MCU時鐘頻率的1/32或者1/64，由PCON的SMOD.1位決定。模式3：TxD引腳是發(fā)送端，RxD引腳是接收端，每次輸出數(shù)據(jù)都是11位，1個起始位“0”和8個數(shù)據(jù)位，還有一個可編程的第九位數(shù)據(jù)以與1個停止位“1”，波特率可以改變而且是由定時器1的溢出率所決定的。RS232[7]接口適用于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20Kbps的通信，采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3V~+15V任意電壓表示邏輯0（或信號有效），-3V~-15V任意電壓表示邏輯1（或信號無效）。USB協(xié)議轉(zhuǎn)串口協(xié)議電路圖如圖3.6所示圖a圖b圖3.6USB轉(zhuǎn)串口電路圖3.3.6復(fù)位電路單片機(jī)開始工作的時候，必須處于一種確定狀態(tài)?？诰€的電平和輸入/輸出狀態(tài)不確定，可能使外圍設(shè)備錯誤操作從而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，因此，在單片機(jī)進(jìn)行工作之前，都必須進(jìn)行一次復(fù)位操作，使單片機(jī)處于一種確定的狀態(tài)。單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位過程有三種途徑：上電（開機(jī)）復(fù)位、手動復(fù)位和監(jiān)控門路復(fù)位。上電復(fù)位是指給單片機(jī)系統(tǒng)加電時進(jìn)行復(fù)位的操作；手動復(fù)位是人為的強(qiáng)行使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位的操作；而為了提高系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中專門設(shè)計了一些電路用于監(jiān)控系統(tǒng)的電源和單片機(jī)的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，這些電路將強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。ADuC845的部復(fù)位結(jié)構(gòu)如圖3.7所示施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器復(fù)位電路圖3.7ADuC845的部復(fù)位結(jié)構(gòu)圖復(fù)位引腳通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲。本課題設(shè)計的復(fù)位電路是按鍵電平復(fù)位，復(fù)位電路如圖3.8所示圖3.8復(fù)位電路圖3.3.7硬件最小系統(tǒng)設(shè)計ADuC845是一個高性能的24位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它部集成有兩個高分辨率的ADC、10或8通道輸入多路復(fù)用器。ADuC845具有串行下載模式，可通過EA引腳提供引腳競爭模式，同時支持QuickStart開發(fā)系統(tǒng)和低成本的軟件和硬件工具。ADuC845部主要由兩個多通道而且都能夠達(dá)到24位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和一個8位的可編程微控制器組成。硬件最小系統(tǒng)電路圖如圖3.9所示圖3.9核心處理器電路圖3.4系統(tǒng)硬件總體設(shè)計該數(shù)據(jù)采集器的電路設(shè)計采用三總線結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。信號處理模塊中的ADuC845芯片允許P1口作為采集器的模擬信號輸入口，ADuC845芯片允許被采集信號直接輸入，但有時為了抵制干擾信號，在設(shè)計中可以使被采集到的信號先通過低通濾波器后再輸入到ADuC845，本課題設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是直接輸入被采集到的信號。信號處理模塊中的ADuC845芯片允許P2口既可以作為采集器的數(shù)字信號I/O口，也可以作為外部32KRAM的高7位地址線接口?？傮w電路圖見附錄C3.5本章小結(jié)本章開始給出了整個系統(tǒng)的電路圖，介紹了主芯片ADuC845的ADC、存儲器等，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理，分別對各個功能模塊的單元電路圖進(jìn)行分析解釋，從微觀上了解各個系統(tǒng)模塊的具體設(shè)計和功能，對ADC進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，使人能夠更好地對這個系統(tǒng)有個更加深入的理解.4系統(tǒng)軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)軟件開發(fā)工具本課題軟件編程部分所使用的開發(fā)工具是美國Keilsoftware公司的KeilC51。KeilC51是美國Keilsoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言[8]的軟件開發(fā)系統(tǒng)。KeilC51軟件提供了豐富的庫數(shù)據(jù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。KeilC51軟件的集成編寫是在Vision2編譯環(huán)境下進(jìn)行，Vision2是一個標(biāo)準(zhǔn)的windows應(yīng)用程序，它是C51的一個集成軟件開發(fā)平臺，具有源代碼編輯、項目管理、程序生產(chǎn)器等功能，它的人機(jī)界面友好，操作方便。Keil的優(yōu)點(diǎn)：（1）KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解，在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。（2）與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可編程性上有明顯優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計分析在基本完成系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。本課題的軟件部分設(shè)計是在單片機(jī)通用集成開發(fā)環(huán)境KeilC51uVision3上進(jìn)行的。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括主程序部分和子程序部分，主程序部分主要是用來完成系統(tǒng)對各個硬件的初始化工作和對每個子程序的調(diào)用，子程序部分主要是實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)之間的交互以與實(shí)現(xiàn)該部分自身的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖4.1所示ADC、串口初始化ADC、串口初始化ADC中斷使能

串口接收中斷使能ADC轉(zhuǎn)換完成計算ADC值并轉(zhuǎn)換成字符串串口接收到的值發(fā)送數(shù)據(jù)到串口發(fā)送完成開始否是否0X630X88是圖4.1系統(tǒng)軟件流程圖4.3軟件設(shè)計的原則和編程方法在設(shè)計便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，應(yīng)該確保系統(tǒng)的可靠性好、功能完整的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)該滿足以下幾個原則：(1)可靠性原則設(shè)計的軟件系統(tǒng)應(yīng)該確保它的使用和運(yùn)行的可靠性，這樣可以提高儀表、儀器的運(yùn)行效率。在系統(tǒng)的開發(fā)完成之后，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室以與工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行多次試驗(yàn)與調(diào)試，而且需要進(jìn)行系統(tǒng)整體功能的測試和調(diào)試，從而保證系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的工業(yè)測控環(huán)境下可以可靠的使用。(2)完整性原則數(shù)據(jù)采集和分析儀表的軟件系統(tǒng)應(yīng)該包括至少三個模塊：人機(jī)接口模塊和數(shù)據(jù)采集模塊以與分析處理模塊。(3)可擴(kuò)充原則優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該可以為未來的升級和改進(jìn)留下一定的空間。所以，軟件系統(tǒng)設(shè)計同樣要求具有可升級和可擴(kuò)充的能力。一般來說，C語言的代碼效率要比匯編語言的代碼效率低。主要是因?yàn)榧幢闶亲罴训腃編譯器，也不能在任何條件下都能夠合理充分的利用ADuC845單片機(jī)所提供的各種資源，雖然在ADuC845上采用匯編語言進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計，可以更好的利用單片機(jī)所提供的硬件資源，也可以獲得比較高效的代碼和比較高的程序執(zhí)行速度，但是使用匯編語言來編寫軟件程序比較復(fù)雜。而且，在一般情況下，不同公司所生產(chǎn)的芯片所使用的匯編語言是不同的，即便是同一個公司所生產(chǎn)的芯片，由于其芯片的類型不同，還有芯片的升級與換代，也使得芯片的匯編語言不完全一樣，所以，使用匯編語言開發(fā)的產(chǎn)品周期一般比較長，可讀性和可移植性也比較差。綜合考慮以上各種因素，本課題采用C語言的編程開發(fā)方法，在Keilc51進(jìn)行軟件編程。通過Keilc51，允許編程人員在C語言源程序級進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，從而大大提高了軟件的開發(fā)速度，增強(qiáng)了軟件的可讀性和可移植性。4.4系統(tǒng)功能模塊子程序設(shè)計（1）延時2微秒編寫延時子程序，延緩輸出數(shù)據(jù)的顯示，根據(jù)ADuC845單片機(jī)的時鐘頻率選擇延時初始值，當(dāng)時鐘頻率在20MHz以下時DELAY_START_VALUE為0，沒有延時，當(dāng)時鐘頻率在20MHz以上時DELAY_START_VALUE為2，延時2微秒，使得時鐘信號在20MHz以上時采集到的信號延遲2微秒輸入顯示。（2）ADC初始化ADC的初始化是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計部分的重要模塊，ADC的初始化包括對ADC0CON1和ADC0CON2的初始化，ADC0CON1是雙緩沖、單極型，其測量圍為0~2.5V，ADC0CON2則是部參考電壓源，選擇AIN7-AINCOM作為AD采集的輸入端，其初始化還包括ADC的中斷使能和主ADC使能，將主ADC初始化為非斬波連續(xù)采樣模式。（3）主函數(shù)主函數(shù)主要是計算ADC的值并將其轉(zhuǎn)換成字符串，然后將其發(fā)送到串口，通訊數(shù)據(jù)有8位，停止位有1位。（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換用一個while(1)死循環(huán)來控制數(shù)據(jù)采集輸入，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以字符串的形式顯示到計算機(jī)上，體現(xiàn)為“ADC07–當(dāng)前電壓=”。模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.2所示EADC=1EADC=1開始轉(zhuǎn)換延時取轉(zhuǎn)換后的數(shù)值否是開始結(jié)束圖4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖（5）啟停AD采集以發(fā)送“63”為標(biāo)志開始采集數(shù)據(jù)，以發(fā)送“88”來結(jié)束采集輸出。4.5上位機(jī)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計上位機(jī)（PC機(jī)）主要用來發(fā)出操作指令和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)，人可以直接發(fā)出操作指令的計算機(jī)，一般都是PC機(jī)，屏幕上顯示各種信號變化（液壓、水位、溫度等），下位機(jī)則是直接控制設(shè)備從而獲取設(shè)備狀況的計算機(jī)，一般指的是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先發(fā)送給下位機(jī)，然后下位機(jī)再根據(jù)上位機(jī)所發(fā)送的命令將其解釋成相應(yīng)的時序信號，從而直接控制相應(yīng)的設(shè)備，下位機(jī)不時讀取設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)（一般為模擬量），然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。上位機(jī)大部分運(yùn)行在PC機(jī)上，常見的上位機(jī)開發(fā)語言有C、C++、VB、VC、Delphi、Java和C#等多種語言。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊一般取決于下位機(jī)，而且上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊還可以采用不同的通訊協(xié)議，可以通過RS232的串口通訊或者采用RS485串行通訊也可以，本課題設(shè)計的上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊協(xié)議采用的是通過RS232的串口通訊。4.6本章總結(jié)本章主要介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計的開發(fā)工具以與各個功能模塊的軟件設(shè)計，介紹了該軟件系統(tǒng)設(shè)計的原則和其編程語言，詳細(xì)介紹了各個功能模塊的子程序和上位機(jī)與串口之間的通訊。5.系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試5.1.1系統(tǒng)硬件調(diào)試方法和調(diào)試過程在系統(tǒng)硬件設(shè)計原理的基礎(chǔ)上搭建好硬件電路，按照設(shè)計好的原理圖組裝硬件電路，然后對基準(zhǔn)電壓、復(fù)位電路、按鍵電路、核心處理控制電路等每個單元電路進(jìn)行調(diào)試。開始調(diào)試時，顯示啟停AD采集的兩個LED不可點(diǎn)亮，不論AD采集是否啟停，兩個LED始終不亮，然后對LED顯示電路進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，LED兩端的電壓太小，流經(jīng)LED的電流太小，不足以使其正常工作，鑒于這個原因，將兩個LED的分壓電阻阻值適當(dāng)減小，使得流經(jīng)LED的電流增大，足以使其正常工作。在對其他單元電路進(jìn)行調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，每次接通電源，按下復(fù)位鍵時，復(fù)位電路不工作，達(dá)不到復(fù)位的效果，檢查電路發(fā)現(xiàn)，該復(fù)位電路是一個高電平復(fù)位，單元電路中的接地電阻阻值太小，導(dǎo)致復(fù)位電路不能正常工作，針對這個原因，將復(fù)位電路中的電阻阻值調(diào)大到合適的大小，使復(fù)位電路正常工作。與此同時，還對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波處理，使其輸入的采集數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。5.1.2系統(tǒng)硬件調(diào)試結(jié)果經(jīng)過對每個單元電路的多次反復(fù)調(diào)試，對出現(xiàn)錯誤的單元電路進(jìn)行改正調(diào)整，使其能夠正常工作，達(dá)到應(yīng)有的效果。在電路調(diào)整過程中，出現(xiàn)問題最多的地方在于一些元器件的參數(shù)的選擇上，合適的參數(shù)值才能使其正常工作，使其工作在最佳狀態(tài)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，硬件電路最終能夠按照設(shè)計要求正常實(shí)現(xiàn)功能，通過按鍵啟停AD采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。鑒于這些原因，在以后設(shè)計電路中需要更加認(rèn)真細(xì)心，尤其是對一些電阻、電容等的參數(shù)選擇上更應(yīng)該嚴(yán)謹(jǐn)一些。5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試5.2.1系統(tǒng)軟件調(diào)試方法和調(diào)試過程根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計方案，在Keil上用C語言進(jìn)行系統(tǒng)的程序編寫，分別對每個單元模塊進(jìn)行程序編寫，在整個系統(tǒng)軟件編寫完成后，對其進(jìn)行編譯調(diào)試。開始編譯時，出現(xiàn)好多錯誤，然后根據(jù)錯誤提示去一個一個進(jìn)行修改，編譯時發(fā)現(xiàn)，ADC的初始化有錯誤，是對其ADCON2的初始化有錯誤，導(dǎo)致編譯錯誤，通過查閱資料，對ADCON2重新進(jìn)行初始化，最終使得ADC初始化子程序編譯通過。另一個錯誤就是對其數(shù)據(jù)類型的定義有錯誤，希望在計算機(jī)上顯示的輸出數(shù)據(jù)以字符串的形式顯示，且對于輸出電壓需要小數(shù)輸出，因此，對輸出電壓的定義類型是一個浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，結(jié)果在編寫輸入輸出模塊子程序時，其輸出類型并不是浮點(diǎn)類型，導(dǎo)致類型不匹配，出現(xiàn)錯誤，然后將其修改為類型相匹配的數(shù)據(jù)類型，使其輸入輸出模塊通過編譯。按照編譯錯誤提示，逐個修改錯誤，最終使其軟件編程部分通過編譯。5.2.2系統(tǒng)軟件調(diào)試結(jié)果經(jīng)過多代碼的多次編譯與修改，最終整個代碼可完成零錯誤編譯，實(shí)現(xiàn)其功能。如圖5.1所示圖5.1系統(tǒng)軟件調(diào)試結(jié)果5.3系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)在對系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件分別進(jìn)行調(diào)試與修改完善，直到?jīng)]有錯誤時，將系統(tǒng)軟件與硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，將編寫好的代碼下載到單片機(jī)上，啟動硬件電路使其開始工作，通過按鍵啟停AD采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。如圖5.2所示圖a圖b圖5.2系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)5.4系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析在系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)沒有任何錯誤而且能夠正常采集數(shù)據(jù)時，利用實(shí)驗(yàn)室五位半的電壓測量儀器對其輸入端的電壓進(jìn)行測量，與此同時，記錄計算機(jī)上所顯示的系統(tǒng)采集到的電壓值，將兩組值進(jìn)行分析對比，計算其誤差值，測量結(jié)果如表5.1所示表5.1測量結(jié)果系統(tǒng)采集(mv)338.41545.01784.631032.131446.581878.422012.02實(shí)際測量(mv)339.52541.99786.011030.871449.011875.972009.11誤差值0.33%0.55%0.18%0.12%0.17%0.13%0.14%經(jīng)過分析對比兩組電壓值，系統(tǒng)所采集到的電壓值與儀器所測量的電壓值的誤差圍在0.5%以，而五位半的儀器所能達(dá)到的測量精度是14位，系統(tǒng)測量得到的電壓值與儀器所測量到的值的誤差在0.5%以，因此，系統(tǒng)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)輸出精度接近14位。5.4本章總結(jié)本章主要是在系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件完成之后，對其進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)，通過調(diào)試找出系統(tǒng)的不足和錯誤，然后針對錯誤尋找相應(yīng)的解決方法，最終使得系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件單獨(dú)調(diào)試沒有錯誤，并且將系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)也沒有出現(xiàn)錯誤，從而看到整個系統(tǒng)可以正常工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。6.總結(jié)6.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計成果將系統(tǒng)軟件與硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，將編寫好的代碼下載到單片機(jī)上，啟動硬件電路使其開始工作，通過按鍵啟停AD采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，該系統(tǒng)是一個單端采集，可以采集到0~2.5V的電壓量，其精度可以達(dá)到16位輸出，在輸出精度方面有了很大的提高，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以更好的滿足現(xiàn)代工業(yè)測控對數(shù)據(jù)采集的高速度和高精度的要求，能夠更好的適用于現(xiàn)代工業(yè)測控。6.2展望在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計過程中，雖然遇到了很多問題，但是經(jīng)過查閱資料和反復(fù)不斷地調(diào)試修改后，整個系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果，但是，在整個設(shè)計中依然有許多可以改進(jìn)和完善的地方，本課題所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只是簡單的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，一方面，該系統(tǒng)只是在計算機(jī)上顯示所采集到的電壓信號，還可以通過對系統(tǒng)做一些改進(jìn)，使其不單單顯示系統(tǒng)所采集到的電壓信號，而是不但可以顯示系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，而且與此同時也可以顯示所采集到的電壓信號的波形變化，這樣可以更加直觀的看到系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)的變化。另一方面，本系統(tǒng)所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集只是一個單端采集，可以采集到0~+2.5V的電壓量，為了使系統(tǒng)的功能更加完善，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，可以將其改進(jìn)為一個可以實(shí)現(xiàn)雙端數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使其可以采集到-2.5V~+2.5V圍的電壓量?？偠灾?，該系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和顯示的功能，但是依然有許多需要改進(jìn)和完善的地方，在以后的設(shè)計中，可以對其進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用更加廣泛。6.3本章總結(jié)本章主要是對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計成果的一個描述，同時也對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了評價分析，指出了其有待改進(jìn)完善的地方，讓人們對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有了一個更加直觀全面的認(rèn)識。致本課題在選題與研究過程中得到老師的悉心指導(dǎo)。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，老師多次詢問研究進(jìn)程，給我答疑解惑，為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，甚至幫我搜集課題相關(guān)資料。老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，深深的影響到我。從上老師的第一節(jié)課到現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計，時間一晃而過，不知不覺的已經(jīng)三年了，老師教給我的東西不止課堂短短幾十分鐘的容，在老師身上我學(xué)到了很多，尤其是老師對待每件事情的認(rèn)真與負(fù)責(zé)，非常值得我學(xué)習(xí)，老師教會我那么多的東西，這將使我終生受益無窮，是我學(xué)生時代一筆巨大的財富。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用方面有了更大的進(jìn)步。整個畢業(yè)設(shè)計在老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，最終實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能，與此同時，我也獲得了豐富的理論知識，極提高了自己的動手實(shí)踐能力，并對當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的了解，這對我今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集方面的知識有極大的幫助。在此，我衷心感老師的悉心指導(dǎo)和支持。在未來的工作和學(xué)習(xí)中，我將以更好的成績來回報老師。與此同時，我還要感陪伴我走過四年大學(xué)生涯的全體老師和同學(xué)門，他們一直對我的陪伴和幫助。參考文獻(xiàn)[1]莊坤領(lǐng).基于ADuC845數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計[M].：中國海洋大學(xué)，2009.[2]朝青.PC機(jī)與單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].：航空航天，2002.[3]AnalogDevices,Inc.ADAduC845/847/848MicroCnverterMulticchannel24bitADCswithembedded62KBFlashandSinge-CycleMCU..analog./static/imported-files/datasheets/ADUC845847848.pdf.2005.[4]敦濤，翌，武.帶高精度24位A/D轉(zhuǎn)換的51核ADuC845[M].：華中師大學(xué)，2006.[5]剛，林凌，何峰等.ADuC845單片機(jī)原理、開發(fā)方法與應(yīng)用實(shí)例[M].：電子工業(yè)，2006.[6]敦濤，翌，武.帶高精度24位A/D轉(zhuǎn)換的51核ADuC845[M].：華中師大學(xué)，2006.[7]朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].：航空航天大學(xué)，1999.[8]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計（第二版）.：清華大學(xué)，1999.[9]維成,加國.單片機(jī)原理與應(yīng)用與C51程序設(shè)計[M].：清華大學(xué)出版，2011.[10]程佩清.數(shù)字信號處理[M].：清華大學(xué)，1995.[11]王永山,王博.計算機(jī)原理與應(yīng)用（第三版）[M].：電子科技大學(xué)，2009.[12]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].：高等教育，2003.[13]書明等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片AduCS12原理與應(yīng)用[M].：電子科技大學(xué)，2002.[14]王福瑞.單片微機(jī)測控系統(tǒng)大全[M].：航空航天大學(xué)，1997.[15]TIMSC1210Anolog-to-Digtalwith8015MicrocontrollerandFlashMemeroyUser’sGuid[EB/OL],.ti.,2004-10.附錄A外文翻譯ADuC845_847_848(34-41)ADCCIRCUITINFORMATIONTheAduC845incorporatestwo10-channel(8-channelontheMQFPpackage)24-bitADCs,whiletheAduC847andAduC848eachincorporateasingle10-channel(8-channelontheMQFPpackage)24-bitand16-bit.Eachpartalsoincludesanon-chipprogrammablegainamplifierandconfigurablebuffering(neitherisavailableontheauxiliaryADContheAduC845).Thepartsalsoincroporatedigitalfilteringintendedformeasuringwidedynamicrangandlowfrequencyhsignalssuchasthoseinweig-scale,strain-gage,pressuretransducer,ortemperaturemeasurementapplications.TheADuC845/ADuC847/ADuC848canbeconfigerdasfourorfive(MQFP/LFCSPpackage)fully-differentialinputchannelsoraseightorten(MQFP/LFCSPpackage)pseudodifferentialinputchannelsreferencedtoAINCOM.TheADConeachpart(primaryonlyontheADuC845)canbefullybufferedinternally,andcanbeprogrammedforoneoreightinputrangesfrom+20mv~-20mvto+2.5v~-2.56v.BufferingtheinputchannelmeansthatthepartcanhandlesignificantsourceimpedancesontheselectedanaloginputandthatRCfriltering(fornoiserejectionorRFIreduction)canbeplacedontheanaloginputs.IftheADCisusedwithinternalbufferingdisaled(ADC0CON1.7=1,ADC0CON1.6=0),theseunbufferedinputsprovideadynamicloadtothedrivingsource.Therefore,resistor/capacitorcombinationsontheinputscanimpedanceofthesourcethatisdrivingtheADCinputs.Theinputchannelsareintendedtoconvertaignalsdirectlyfromsensorswithouttheneedforextrnalsigalcondionting.Withinternalbufferingdisabled(relevantbitsset/clearedinADC0CON1),extrnalbufferingmightberequired.Whentheinternalbufferisenabled,itmightbenecessarytooffsetthenegativeinputchannelby+100mvandtooffsetthepositivechannelby-100mvifthereferencerangeisAvdd.Thisaccountsfortherestrictedcommon-modeinputrangeinthebuffer.Somecircuits,forexample,brigdecircuits,areinherentlysuitabletousewithouthavingtooffsetwheretheoutputvoltageisbalancedaroundV/2andisnotsufficientlylargetoencroachonthesupplyrails.IntenalbufferingisnotavalibleontheauxiliaryADC(ADuC845only).TheauxiliaryADC(ADuC845)isfixedatagainof+2.50v~-2.50v.TheADCsuseaconversiontechniquetorealizeupto24bitsontheADuC845andtheADuC847,andupto16bitsontheADuC848ofnomissingcodesperformance(20hzupdaterate,chopenable).TheΣ-Δmodulatorconvertsthesampledinputsignalintoadigitalpulsetrainwhosedutycyclecontainsthedigitalinformation.ADCCHOPPINGTheADCsontheADuC845/ADuC847/ADuC848implentendachoppingschemewherebytheADCrepatedlyreversesitsinputs.Thedecimateddigitalouttputwordsfromthesin3filter,therefore,haveapositiveandnegativeoffsettermincluded.Asaresult,afinalsummingstsgeisincludedineachADCsothateachoutputwordfromthefilterissummedandaveragedwiththepreviousfilteroutputtoproduceanewvalidoutputresulttobewrittentotheADCdataSFRs.Thechoppingschemeincorporatedintothepartsresultsinexcellentdcoffsetandoffsetdriftspecifications,andisexternalybeneficalinapplicationswheredrift,noiserejection,andoptimumEMIperformanceareinportant.ADCchopcanbedisabledciathechopbitintheADCMODESFR(ADCMODE.3).Settingthisbitto1(logichigh)disableschopmode.CALIBRATIONTheADuC845/ADuC847ADuC848incorporatefourcalibrationmodesthatcanbeprogrommedviathemodebitsintheADCMODESFRdetailed..Everypartiscalibratedbeforeitleavesthefactory.Theresultingoffsetandgaincalibrationcoefficientsforboththeprimaryandauxiliary(ADuC845only)ADCsarestoredon-chipinmanufacturing-specificFlash/EEmemorylocaions.Atpower-onorafterareset,thesefactorycalibrationregistersareautomaticallydownloadedtotheADCcalibrationregistersinthepart’sSFRspace.Tofacilitateusercalibration,eachoftheprimaryandauxiliary(ADuC845only)ADCshavededicatedcalibrationcontroolSFrs,whicharediscribedintheADCSFRinterfacesection.Onceauserintiatesacalibrationprocedure,thefactorycalibrationvaluesthatwereinitallydownloadedduringthesepower-onsequencetotheADCcalibrationSFRsareoverwritten.TheADCtobecalibratedmustbeenabledviatheADCenablebitsintheADCMODEregister.Eventhoughaninternaloffsetcalibrationmodeisdescribedinthissection,notethattheADCscanbechopped,Thischoppingschemeinherentlyminimizasoffseterrorsandmeansthatanoffsetcalibrationshouldneverberequired.Ifthepartisoperatedinchopdisabledmode,acalibrationmayneedtobedonewitheverygainrangethatoccursviathePGA.TheADuC845/ADuC847/ADuC8458eachofferinternalorsystemADC,thecalibrationlogicmustrecordthemodulatoroutputfortwoinputcondictions:zero-scaleandfull-scalepoints.Thesepointsarederivedbyproformingaconversiononthedifferentinputvoltages(zero-scaleandfull-scale)provaidedtotheinputofthemodulatorduringcalibration.Theresultofthezero-scalecalibrationcoversionisstoredintheoffsetcalibrationregistersfortheappropriateADC.Theresultofthefull-scalecalibrationconversionisstoredinthegaincalibratonregistersfortheappropriateADC.Withthesereadings,thecalibrationlogiccancalculatetheoffsetandthegainslopefortheinput-to-outputtransferfunctionoftheconverter.Duringanintenalzero-scaleorfull-scalecalibration,therespectivezero-scaleinputorfull-scaleinputisautomaticallyconnectedtotheADCinputsinternally.Asystemcalibration,however,expectsthesystemzero-scaleandsystemfull-scalevoltagestobeappliedexternallytotheADCpinsbytheuserbeforethecalibratonmodeisinitiated.Inthisway,esternalerrorsaretakenintoaccountandminimized.NotethatallAduC845/AduC847/AduC848ADCcalibrationsarecarriedoutattheuser-selectedSFwordupdaterate.Tooptimizecalibrationaccuracy,itisrecommendedthatslowestpossibleupdateratebeused.Internallyintheparts,thecoeffficientsarenormalizedbeforebeingusedtoscalethewordscomingoutofthedigitlfilter.Theoffsetcalibrationcoefficientissubtractedfromtheresultproirtothemultiplicationbythegaincoefficient.Fromanoperationalpointofview,acalibrationshouldbetreatedjustlikeanordinaryADCconversion.Azero-scalecalibration(ifrequired)shouldalwaysbecarriedoutbeforeafull-scalecalibration.SystemsoftwareshouldmoniterthereleventADCRDY0/1bitintheADCSTATSFRtodeterminetheendofcalibrationbyusingapollingsequenceoraninterruptdrivenroutine.Ifrequired,theNOEXREF0/1bitscanbemonitoredtodetectunconnectedorlowvoltageerrorsinthereferenceduringconversion,causingaNOXREFflagduringacalibration,thecalibrationisimmediatelyhaltedandnowritetothecalibrationSFRstakesplaces.DATAOUTPUTCODINGWhentheprimaryADCisconfiguredforunipolaroperation,theoutputcodingisnatural(stright)binarywithazerodifferentialinputvoltageresultinginacodeof000…000,amidscalevoltageresultinginacodeof100…000,andafullscalevoltageresutinginacodeof111…111.TheoutputcodeforanyanaloginputvoltageonthemainADCcanberepresentedasfollows:Code=(AIN*GAIN*2N)/(1.024*V)Where:AINistheanaloginputvoltage.GAINisthePGAgainsetting,1onthe2.56vrange128onthe20mvrange,andN=24(16ontheAduC848).TheoutputcodeforanyanaloginputvoltageontheauxiliaryADCcanberepresentedasfollows:Code=(AIN*2N)/VWiththesamedefinitionsasusedforthepromaryADCabove.WhentheprimaryADCisconfiguredforbipolaroperation,thecodeingisoffsetbinarywithnegitivefull-scalevoltageresultinginacodeof000…000,azerodifferentialvoltageresultinginacodeof800…000,andapositi