1、第 1 页 共 42 页应变测试数据采集的研究摘要随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会发展的主流方向。各种工业领域都用到了数据采集，在石油勘探、地震数据采集等领域已经得到广泛应用。随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统己经在测控领域中占到了统治地位。数据采集系统是将现场的各种参数如温度、压力、频率等进行采集后送微机进行处理和分析，达到检测和控制的目的。 论文主要论述对数据采集系统的设计与实现。它的主要功能是完成数据采集、处理、控制以及与 PC 机之间的通信等。基于对数据采集系统体系结构及功能要求的分析，本文设计并实现
2、的采集系统采用 ADuC812 单片机为核心，扩展了电源电路、复位电路、LCD 接口电路以及监控电路等，并配有标准 RS-232 串行通信接口。系统软件采用汇编语言编写，为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构。由于使用该仪器的野外环境多样，干扰严重，在系统的开发实现中，不仅要实现数据采集仪的一般功能，也要保证它的可靠性和安全性。本文论述了数据采集系统所采取的硬件和软件方面的抗干扰措施，并对与 PC 机之间的通信实现进行了相应的论述。本文首先简要介绍了系统的总体设计以及相关开发环境，在对该方案进行细化的过程中，对各功能模块的关键技术和设计作了具体的描述。本文包含系统硬件电路的设计、整体电路
3、板的分析以及在设计中需要注意的各种问题等，并对系统软件的设计也进行了研究。关键词：数据采集，ADuC812第 2 页 共 42 页Strain test data gathering research ABSTRACTAs the field of information technologies in development, in the technical aspects of data collection has also made great progress, collecting data and information is the mainstream social dev
4、elopment direction. Various industrial fields to use the data acquisition, in oil exploration, seismic data acquisition, and other fields has been widely used. With the rapid development of monitoring and control technologies to embedded computer as the core data acquisition system has been accounte
5、d for in the monitoring and control in the area of the dominant position. Data Acquisition System is the scene of various parameters such as temperature, pressure, frequency of collection for evacuation Computer processing and analysis, detection and control to achieve the objective. This thesis mai
6、nly discuss the design and realization of the data collection system .The system is mainly used tofinish the data collection、processing and the correlative control and communicationwith the PC.On the analysis of the system structure and function requirement,the system in this thesis adopts the ADuc8
7、12 core,expands the power、reset、LCD interface circuit withstandard RS-232 series communicate interface.For the entironment the system in use iscomplex with serious disturb.We should ensure the reliability and security besides the basicfunction in the design of the system.In this thesis we discuss th
8、e anti-jamming measuresthrough hardware and software.We talk about the realization of communication with thePC.The software design with assemble language,and adopts modularize framework design.Firstly,the thesis introduces the design structure of the system and the correlativedevelopment entironment
9、.In the deep discuss of the system,it describes the key techniqueand design concretely.We talk about the hardware design、circuit board analysis and the otherissue worth thinking about in the design.We attempt study the design process of the softwaretoo.Key word:data collect system,ADuC812第 3 页 共 42
10、页1 绪论1.1 数据采集系统概述数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器方面，而且还在现代工业生产中、军事科学方面得到了广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。在科学技术飞速发展的今天，数据采集系统也广泛地得到应用。我国对于数据采集的研究起步比较晚，跟世界先进水平还有一定的差距。随着计算机的发展普及，数据采集系统也随之发展了。近年来随着单片机技术的快速发展在各行各业中对数据采集技术的要求也越来越精确，我们必须加强对数据采集技术的研究 1。数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径和手段。数据采集系统的核
11、心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数(A/D)转换，将连续的模拟信号量化。无论 A/D 转换器的速度多快，A/D 转换总需要时间。因此产生了两个问题，第一，在 A/D 转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使 A/D 转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。为了减小误差，需要保持采样信号不变。第二，A/D 转换器输出的数字量只能表明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。通过采样频率与输入信号的频带关系的应用，来使得离散信号能够不失真地恢复成原来的连续信号 2。目前受 ADC 芯片发展水平的限制，单片 ADC
12、 很难同时满足高速高精度采样的要求。现在常用多片相对低速的高精度 ADC 拼接来提高系统的总采样率。多片 ADC 拼接采样主要分为频域和时域两种结构。频域结构的方法是通过频带分割滤波器对输入宽带信号进行频域分割从而降低单片 ADC 的采样速率，频带分割滤波器通常采用模拟低通、带通和高通滤波器，频带分割滤波器的过渡带对系统性能有很大的影响。时域结构的方法主要是多片 ADC 采用并行时间交替采样来完成对输入信号的采样，称之为时间交替 A/D 采样 3。第 4 页 共 42 页ADuC812是一种把8位微控制器(指令集与8051微控制器兼容)和12位A/D转换器以及12位D/A转换器等外围电路集成在
13、一块芯片上的12位数据采集集成电路。它的功能也是非常强大，满足我们设计的要求。1.2 数据采集系统的发展和历史 4数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代，1956 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。20 世纪 60 年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20 世纪 70 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器，
14、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从 70 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器，通用接口总线和计算机等构成。例如：国标ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。
15、这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡，标准总线和计算机构成，例如 STD 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制，第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。显然，这种系统比专用系统灵活得多。20 世纪 80 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机，单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能第 5 页 共 42 页成倍增加，数据处理能力大大加强。20
16、 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事，航空电子设备及宇航技术，工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能，高可靠性的单片数据采集系统（DAS） 。目前有的 DAS 产品精度已达 16 位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速，模块化和即插即用方向发展，典型系统有 VXI 总线系统，PCI、PXI总线系统
17、等“数据位已达到 32 位总线宽度，采样频率可以达到 100MSps。1.3 数据采集器国外的现状 5.6随着国外微电子技术、计数机技术、测控技术和数字通信技术的发展。目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展，从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的特点还反映在如下几个方面：（1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域 FFT 分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能。（2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用，如法国迈威公司的 MOVILOG数据采集器，就可
18、作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡还可以做六个平面的动平衡；（3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要。（4）可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量。如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统。（5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。（6）数据采集器已经安装了 LCD 背光显示屏，并尽量减少了操作键；元器件第 6 页 共 42 页高度集成化，并减轻机器的重量；采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工
19、业环境。1.4 数据采集器国内的现状 7上世纪 80 年代末到 90 年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的 SP201、SC247 型双通道的有,EG3300、YE5938 型，超小型的911、902 和 921 型。具有采集静态信号的有 SMC-9012 型，所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距。主要表现在：（1）由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些低速的机器或轴承的
20、诊断等带来了一定的困难。（2）由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱。（3）设备的软件水平，仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。1.5 本文所要做的工作明确数据采集的原理和打算采用的模块，并且设计数据采集系统电路。要求选用合适的数据采集模块，要求画出电路原理图和 PCB 图。第 7 页 共 42 页2 数据采集系统设计理论基础及其考虑因素2.1 数据采集系统原理一般数据采集系统的原理框图如图 2.1 所示，它由多路开关、采样/保持器、放大器、
21、A/D 转换器、计算机等组成。数据采集要经过采样和量化两个必要步骤。采样过程也是将被测的连续信号离散化，从连续信号中抽取采样时刻的信号值。采样过程由多路开关、采样/保持器完成。如果被测信号变化很缓慢，也可以不采用采样/保持器。多路开关将各路信号轮流切换到输入端，对各路信号分时采样。A/D 转换器将采样信号量化，将转换成的数字信号输入到计算机中 8。图 2.1 多通道数据采集系统原理框图2.2 数据采集系统设计考虑因素2.2.1输入信号的特性在输入信号的特性方面主要考虑以下方面：信号的数量，信号的特点，模拟量还是数字量，信号的强弱及动态范围，信号的输入方式，信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态
22、信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗等。2.2.2 对数据采集系统性能的要求 91）系统的通过速率系统的通过速率通常称为系统速度、传输速率、采样速率或吞吐率，是指在单位时间内系统对模拟信号的采集次数。通过速率的倒数是通过吞吐时间，通常计算机A/D转换器采样/保持器放大器多路开关传感器传感器传感器模拟信号第 8 页 共 42 页又称为系统响应时间或系统采集周期，表明系统每采样并处理一个数据所占用的时间。它是设计数据采集系统的重要技术指标。2）系统分辨率系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效值、系统满刻度值的百分数或系统可分辨的实际电压数值等来表示。3
23、）系统精度系统精度是指当系统在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。2.2.3 信号采样与量化 10数据采集是获取信息的基本手段，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程。数据采集系统测量的物理量、环境量是模拟信号，而数据采集处理系统内部处理、存储、传输的信号为数字信号，所以数据采集必须完成从模拟信号到数字信号的转变，这需要建立一套有效把模拟信号转换为数字信号的系统。从理论上将，就是一个采样与量化的系统；实际上，这一系统就是以模数转换器 ADC 为核心的信息采样系统。 11采样定理作为
24、模拟信号数字化的理论基础，它的实质就是把一个时间模拟信号经过采样变成离散花序列后，能否由此离散花序列样值重构原始模拟信号的问题。采样量化的离散样值序列与原始模拟信号之间的关系问题，这也是信号测量研究的基础。1）信号采样采样器可以看做是一个开关，每个 T 时间段完成一次采样。在它短暂的关闭时间 t 瞬间，将模拟信号在该时刻的幅值抽取出来。实际测量中遇到的模拟信号一般为带限信号，为了避免失真，由采样序列无失真的恢复重建原始模拟信号 X（t） ，信号采样应当遵循采样定理：一个频带限制在（0，f H）内的连续信号 X（t） ，其采样频率必须大于或等于2fH， 其公式表示为 fS2f H。2）信号量化量
25、化过程始与采样。模拟信号进行采样后，其采样值还是随着信号幅度连续第 9 页 共 42 页变化的，量化是把取值连续的采样变成取值离散的采样。3 数据采集系统设计方案在目前的数据采集系统中，通常采用的是两种方法来实现数据采集：1）将数据采集部分做成板卡插入微机扩展槽来实现数据采集，即 A/D 转换器件直接与微机总线接口连接 12。这种基于微机的系统集成数据采集系统的方式，可以缩短研制周期，从而加快工作进度，但是硬件的配置缺少灵活性，不便于携带和随时随地进行使用。2）将数据采集部分做成独立的系统，有自己的微处理器，微机通过串口与数据采集装置通讯，从而实现数据采集。3.1 处理器选择方案 1：选用 3
26、2 位嵌入式微处理器（如 ARM 系统，MIPS 系统等）搭建硬件平台，定制嵌入式操作系统，开发应用与环境数据采集的各种应用软件。该方案从技术涉及到计算机、操作系统、软件开发和集成电路等技术，技术难度大，开发时间长；从经济上看，嵌入式微处理器机器开发工具和操作系统的开发环境的费用高达上万元，开发成本较高。方案 2：选用美国 AD 公司生产的 ADuC812 芯片，该芯片是一种把 8 位微控制器（指令集与 8051 微控制器兼容）和 12 位 A/D 转换器以及 12 位 D/A 转换器等外围电路集成在一块芯片上的 12 位数据采集集成电路。具有体积小，便于携带，功耗低等特点，而且价格低，配置灵
27、活，开发成本较低。基于开发成本、性能、技术难度，我们选用 ADuC812 芯片进行数据采集。3.2 通信接口设计方案数据采集系统必须具有一顶的通信借口与微机进行数据的传输，微机与数据采集系统的通信可以通过电缆进行数据传输，但在某些限制铺设电缆的场合，微机与数据采集系统则要通过无限方式通信。方案 1：选用无线射频芯片 CC1020 与发射/接受天线组成无线通信电路，无线射频芯片 CC1020 工作在 ISM 频段 422MHz，其与微控制器的接线引脚少，外围器件简单，成本低。但无线通信电路对电源的稳定性要求高，容易受到系统其他模块的影响，这样怎家了电路设计的复杂性和难度。第 10 页 共 42 页方案 2：设计 RS-232 串行通信接口，单片机内部具备 UART0 串行口，其发送和接收的是 TTL/CMOS 电平，通过低电压芯片 MAX3232 实现 RS-232 串行口TTL/CMOS 与 RS-232 差分电平的转换。RS-232 串行通信接口既可以作为功能扩展口，通过电缆线与微机直接通信 14。综上所述，方案 2 开发简单，电路设计容易，功能可以扩充，因此 系统通信借口设计采用方案 2。
