PC机数据采集系统设计

成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)第I页1PC机数据采集系统设计更多论文请加QQ:1634189238492186520电子工程学生李小宇指导教师罗乐摘要：微电子技术、传感器技术和计算机技术的飞速发展引发了仪器仪表技术的深刻变革，具有“一机多用”功能的新一代高度自动化测控仪器——PC仪器，正在迅速取代各种传统的电子测量设备。对PC仪器的研制，不仅是本专业前沿性课题，而且具有很大的现实意义。数据采集系统是微型计算机应用的一个重要领域。用微机计算机控制的数据采集与处理系统可代替人力完成大量的重复性工作，处理速度快，精度高，是进行作业现场采集数据的有效手段。本课题根据当代先进的PC仪器设计理念，设计了一个用虚拟仪器实现的数据采集系统，在选择芯片上，注重稳定性、精度、速度和价格的相互协调，从而使设计符合市场规律。本设计包括两个部分的设计,即硬件和软件。在进入主题之前，对涉及的基础知识作了详细的介绍。硬件部分的工作过程如下：首先，被检测的模拟信号送入多路模拟开关后进入采样保持器，然后被送入模数器进行模数转换，最后被传送进计算机的中央处理器。这些数字信号通过数据总线传送。本设计主要完成的任务是设计硬件将在现场检测的模拟信号转变成微机可以接受的数字信号，并用软件完成这一过程的虚拟仪器设计。本论文详细介绍了各功能单元所用芯片的选择设计，在内容上，既注重基本原理的理解，又注重实际应用电路的分析，理论与实践结合性强。关键词：虚拟仪器、AT总线、采样保持、A/D转换。成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)第I页2Abstract:Thetechnologicaldevelopmentofmicro-electrontube,sensorandcomputerattributestotherevolutioninthefieldofinstrument.Virtualinstrumentusedtoberareinthetestandmeasurementandindustrialautomationindustries.Today,ithasfreedmanyengineersfromthelimitationsoftraditionalinstruments.Nowmorethanever,engineersrecognizethebenefitsoftheintegratinghardwareandsoftwarecomponentswithPCstocreatecustomizedinstrumentationsolutions.Soitispracticalandoflong-rangesignificancethatwedevelopvirtualinstrumentation.Thedatacollectingsystemisanimportantfieldinwhichthemicrocomputeruses.Datathatcomputercontrolgatherandcanreplacewithprocesssystemmanpowerfinishalargeamountofprecisionhave,carryonhomeworksceneeffectivemeanstogatherdatum.ThepaperaccordingtothecontemporaryadvancedPCdesignprinciple,designingavirtualinstrumentofrealizingdatacollectingsystem,inchoosingchip,makeapointofthestability,accuracy,speedtomoderatewithpricemutually,andmakethedesignmatchthemarketregulation.Someworkandprogramshavebeendoneduringmydesigninthesurveyvirtualinstrument.Itismadeoftwoparts:hardwareandsoftware.Themainfunctionofthehardwareisasfollowing:first,conveyanalogoussignaltoMux,andthenpushtheanalogoussignaltosampling-holdinginstrumentation;second,pushthedataintotheA/Dconverter;last,transmitthedigitalsignaltoCPU.Thesediginalsignalsareconveyedtothemicrocomputerthroughdata-bus.Mymainworkiscompletethedesignofhardware,whichcanaccuratelytransferanalogoussignaltodiginalsignalthatcanbeacceptedbymicro-computer.Andcompletethedesignofsoftwarewhichusedthevirtualinstrumentation.Thesisthisintroduceeveryfunctionunitdesignwiththechoiceofthechipindetail,Incontent,notonlypayattentiontotheunderstandingofthebasicprinciplebutalsopayattentiontotheanalysisofthecircuitactually,Theoryandcombiningofpracticearestrong.Keywords：virtualinstrumentation、sampling-holdinginstrumentation、A/Dconverter成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)第III页III目录第1章绪论.……………………………………………………………………11.1仪器发展简史………………………………………………………11.2数据采集系统设计概述……………………………………………21.3PC机数据采集系统设计……………………………………………8第2章总线…………………………………………………………………142.1总线技术……………………………………………………………142.2IBMPC/AT总线技术………………………………………………162.3端口译码……………………………………………………………20第3章接口电路设计…………………………………………………………223.1数据采集………………………………………………………………223.2缓冲电路………………………………………………………………23第4章核心芯片的选取………………………………………………………274.1模拟开关………………………………………………………………274.2采样保持………………………………………………………………284.3A/D转换器……………………………………………………………31第5章数据采集系统电路的分析……………………………………………415.1数据采集系统的结构…………………………………………………415.2数据采集系统具体电路的分析………………………………………41第6章Labwindows/CVI编程与实现………………………………………446.1虚拟仪器的背景………………………………………………………446.2CVI的功能及编程……………………………………………………46第7章结论……………………………………………………………………51致谢……………………………………………………………………………52参考文献………………………………………………………………………53附录……………………………………………………………………………54成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)第1页11绪论1.1仪器发展简史近代电子技术与计算机的发展和普及应用，促使测量仪器领域发生了革命性进步，回顾仪器仪表的发展史，可知主要经历了三个阶段：1.传统仪器这一代仪器主要是基于电磁测量原理对模拟量进行测量，用指针来显示最终测量值，受主观因素的影响很大，响应慢、测量精度低；其后出现了数字式仪表，提高了精度，适于快速响应，但测试系统组件多，每次测量，均需重新组合所用仪器，重新调整校对。系统精度、灵敏度受多因素影响，可靠性差、效率低下、误差较大。2.智能仪器智能仪器是计算机技术向测控仪器移植的产物，属于单片机开发技术。70年代后期以来，随着微计算机技术的迅猛发展，出现了完全突破传统概念的新一代仪器仪表。这种仪器把微处理器放入传统仪器内部，以微处理器为核心，将仪器面板上的按键、显示器以及内部的测试功能模块通过各自的接口并联于系统总线上；此外，又通过GPIB接口总线将测试部件与外部计算机或其他智能仪器相连接组成自动测试系统。形成了具有自诊断、自修复、数字化、智能化、适应性强的仪器，表现为智能的延伸或加强，习惯上称为智能仪器。3.PC仪器随着个人计算机的发展，自1982年起，人们开始将具有测试功能的模块或仪器卡插在PC机系统总线插槽上，或插在计算机外部专用机箱内，通过专用仪器软件就能实现某种自动化测试操作。只要仪器卡及配套软件功能不同，同一台PC机可构成多种“仪器”，就是通常所说的PC仪器。PC仪器无论外形或内涵都跟传统仪器有着本质区别。除传感器及接口电路以外，其测试、分析处理部分不再用电子电路而是由软件来实现。仪器的面板不是实物，而是计算机屏幕上的“软面板”。操作功能的选择，也不再是传统的开关或旋钮，而是通过专用程序，以菜单或面板画面的形式显示在CRT屏上。测试过程中的各种操作，都是通过键盘或鼠标在屏幕上以“点菜”方式实现。测试过程由相应的功能程序自动完成。这种以软件构造的、用软面板显示的、“看得见、摸不着、断电即逝”、操作及测试表达效果非成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)第2页2常规方法能及、即是PC仪器又是仪器的“仪器”又称为“虚拟仪器”。PC仪器的出现给电子测量带来了真正革命性的冲击，在测量原理、仪器设计很多方面都产生了重大的影响，是电子测量发展的一个重要方向。1.2数据采集系统概述1.2.1数据采集的意义“数据采集”就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）。随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，跟据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进性显示或打印，以便实现对某