畢業設計論文(基于單片機的數據采集系統設計)含源代碼(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 它有 5個引出腳，其中“+”、“”為兩個信號輸入端，“V+”、“V”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端，Vi()為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖7。 圖 6 圖 7由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。LM324圖 8電壓跟隨器內部結構圖如圖8為其中一路的電路圖。同相輸入端的電阻和電容設計成了一個低通濾波器，目的是通過濾波保證模擬電壓信號能夠無失真的從輸出端輸出，電壓跟隨器采用的外部供電，其作用就是保證模擬輸入電壓能夠穩定的輸入到數據采集系統A/D轉換芯片，從而提高系統采集數據的精度和準確性。 制作USB數據采集系統電路板選用Altium公司的Altium Designer 6 DXP電子設計系統軟件來進行電路板的設計制作。Altium Designer 6是最新一套完整的板卡級設計系統，真正實現在單個應用程序中的集成。Altium Designer 6讓用戶可以選擇最適當的設計途徑來按自己想要的方式工作。Altium Designer 6線路圖設計系統完全利用了Windows XP和Windows 2000平臺的優勢，具有改進的穩定性、增強的圖形功能和超強的用戶界面。 畫原理圖原理圖(見圖9)前部分為數據采集模塊，電壓跟隨器為TLC2543提供穩定的模擬輸入電壓。后半部分為數據通信模塊。數據通信模塊數據采集模塊圖 9 USB數據采集系統原理圖USB數據采集系統的電源使用外接12V電源供電，而芯片TLC2543所需的5V基準電壓源則通過LM336穩壓管和滑動變阻器將12V電源轉換到5V。制作原理圖步驟：(1) 創建一個新的PCB項目(2) 創建一個新的原理圖圖紙(3) 放置器件(4) 連接電路 畫PCB圖在PCB設計中，布線是完成產品設計的重要步驟，在整個PCB中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線。由于本設計采用的是單面板且用交互式布線既手工布線。對于單面板，設計的難點是如何減少跳線情況下把線路布通。此次設計經過合理放置元件和多次改進，最后終于克服一切困難，在跳線很少的情況下把線路布通，達到了設計的目標。為了防止外部電磁干擾，采用了電路板外部用相對較寬的銅線構成非閉合的保護電路。在電路內部，直接用板上剩余空間的大面積接地來提高電路信號的穩定性。如圖10所示。圖10 USB數據采集系統PCB圖PCB布線原則：(1)電源、地線的處理電源、地線的處理不好會引起干擾，使產品的性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。所以對電、地線的布線要認真對待，把電、地線所產生的噪音干擾降到最低限度。l 在電源、地線之間加上去耦電容，濾除噪音干擾。l 盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線＞電源線＞信號線，對數字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網來使用(模擬電路的地不能這樣使用)。 l 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。(2) 數字電路與模擬電路的共地處理現在有許多PCB不再是單一功能電路(數字或模擬電路)，而是由數字電和模擬電路混合構成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題，特別是地線上的噪音干擾。數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB內部進行處理數、模共地的問題，而在板內部數字地和模擬地實際上是分開的，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)，數字地與模擬地有一點短接，這在設計時必須考慮，只有一個連接點。也有在PCB上不共地的，這由系統設計來決定。(3) 設計規則檢查(DRC)布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規則，同時也需確認所制定的規則是否符合印制板生產工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：①線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產要求。 ②電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合(低的波阻抗)，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。 ③對于關鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。 ④模擬電路和數字電路部分，是否有各自獨立的地線。 ⑤后加在PCB中的圖形(如圖標、注標)是否會造成信號短路。 (4) 制作電路板①打印PCB圖。打印時注意打印層的設置，還有要保留焊盤孔，方便后面的鉆孔。②曝光感光板。把打印紙的正面向下平放在感光板上，用玻璃壓緊，然后在白熾燈下照射大約12分鐘。③感光板顯像和蝕刻。④鉆孔、插元器件、焊接。4 USB數據采集系統軟件編程 TLC2543的工作原理 TLC2543的工作過程TLC2543的工作過程分為兩個周期：I/O周期和轉換周期。(1) I/O周期I/O周期由外部提供的I/O CLOCK定義，延續12或16個時鐘周期，決定于選定的數據長度。器件進入I/O周期后進行兩種操作。首先，在I/OCLOCK的前8個脈沖的上升沿，以MSB前導方式從DATA INPUT端輸入8位數據流到輸入寄存器。其中前4位為模擬通道地址，控制14通道模擬多路器從11個模擬輸入和3個內部測試電壓中選通一路送到采樣保持電路，該電路從第4個I/O CLOCK脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣，直到最后一個I/O CLOCK脈沖的下降沿。I/O周期的時鐘脈沖個數與輸出數據長度(位數)同時由輸入數據的DD2位選擇為12或16。當工作于12或16位時，在前8個時鐘脈沖之后，DATA INPUT無效。其次，在DATA OUT端串行輸出8位、12或16位數據。當保持為低時，第一個數據出現在EOC的上升沿。若轉換由控制，則第一個輸出數據發生在的下降沿。這個數據串是前一次轉換的結果，在第一個輸出數據之后的每一個后續位均有后續的I/O時鐘下降沿輸出。(2) 轉換周期在I/O周期的最后一個I/O CLOCK下降沿之后，EOC變低，采樣值保持不變，轉換周期開始，片內轉換器對采樣值進行逐次逼近A/D轉換，其工作由與I/O CLOCK同步的內部時鐘控制。轉換完成后EOC變高，轉換結果鎖存在輸出數據寄存器中，待下一個I/O周期輸出。I/O周期和轉換周期交替進行，從而可減小外部數字噪聲對轉換精度的影響。 接口時序可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辨率，每次轉換和數據傳遞可以使用12或16個時鐘周期。一個片選()脈沖要插到每次轉換的開始處，或是在轉換時序的開始處變化一次后保持 為低，直到時序結束。圖11顯示每次轉換和數據傳遞使用12個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入 的時序，圖12顯示每次轉換和數據傳遞使用12個時鐘周期，僅在每次轉換序列開始處插入一次 時序。圖 11 12時鐘時序傳送圖(使用，MSB在前)圖12 12時鐘時序傳送圖(不使用，MSB在前) 采集模塊程序設計在系統上電后，必須從高變到低后開始一次I/O周期。EOC開始為高，輸入數據寄存器被置為全零。輸出數據寄存器的內容是隨機的，并且第一次轉換的結果將被忽略。為了對器件初始化，被轉為高再回到低后開始下一次I/O周期。在器件從掉電狀態返回后的第一次轉換，由于器件的內部調整，讀數可能不準確。數據采集系統流程圖如圖13所示。系統上電m++，通道值是否大于14系統初始化通道、時鐘、極性設定采集通道m＝0A/D轉換程序返回數據AdResult＝datah*256+datal到單片機否是圖13 數據采集系統流程圖采集程序設計為一個循環程序，在一個循環中完成以下工作：A/D轉換器通過AD_DIN從單片機接收命令字選取通道、時鐘和極性，然后進入采樣周期，在I/O周期的最后一個I/O CLOCK下降沿之后，EOC變低，采樣值保持不變，轉換周期開始，片內轉換器對采樣值進行逐次逼近A/D轉換，其工作由與I/O CLOCK同步的內部時鐘控制。轉換完成后EOC變高，轉換結果鎖存在輸出數據寄存器中，待下一個I/O周期輸出。當下一個I/O周期開始時，A/D轉換器將上一次的轉換結果從AD_OUT串行輸入到單片機的外部存儲器中。 A/D轉化程序設計在主程序Mainloop中使用函數init_ADC(m | OUTPUTLENGHT_12 | UNIPOLAR)對A/D芯片進行初始化，定義了系統的初始通道、時鐘模式以及極性。由于TLC2543有3種時鐘模式分別為12和16時鐘，其中默認的為12時鐘，出于對系統通用的考慮，在A/D轉換子程序中把它設計成可選時鐘模式。在本數據采集系統中，TLC2543輸出結果設置成12位無符號整型數，輸出順序為高位在前且為單極性。在每一個A/D轉換過程中，TLC2543都要從串行輸入端AD_DIN讀取由單片機輸入的控制字來選定對某個或多個通道進行采樣，然后進行A/D轉換，轉換結果被存入輸出數據寄存器AD_OUT。在下一個I/O周期中，由數據輸出端AD_OUT串行輸出到單片機的外部寄存器。但是由于采集的為12 位數據，對于8 位單片機，要存放在兩個內存地址中，因此需要利用AdResult = datah *256+datal合成后再返回給主程序送入單片機。本程序不僅實現了14路模擬信號的數據采集而且可以任意選擇一路或多路進行數據轉換，同時合成了SPI功能使TLC2543A/D轉換芯片和P89C51RA2單片機能夠快速的進行正常通信。但是還存在一定的問題，需要在后續工作中進一步改進。A/D轉換的詳細程序見附錄A。在 TLC2543 的編程中注意以下幾個問題： (1)一個輸入輸出工作周期為 12個時鐘信號，隨著12個時鐘信