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第一部分精密测试数据采集系统
第一章绪论
数据采集,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机(或微处理器)的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
本次设计的精密测试数据采集系统,是用于将模拟信号转换成计算机可以识别的数字信号,将传感器测得的微弱电信号经过放大、滤波,以8051单片机为核心,配以ADC0809模数转换器件,并且通过RS232协议将信息送到PC上位机中进行显示。
在计算机广泛应用的今天,数据采集在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式,实现对移动数据采集器的应用软件升级,通过制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议,实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门,尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如:在工业生产和科学技术研究的各行业中,常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集,如液位、温度、压力、频率等;卫星数据采集系统是利用航天遥测、遥控、遥监等技术,对航天器远地点进行各种监测,并根据需求进行自动采集,经过卫星传输到数据中心处理后,送给用户使用的应用系统。随着时代的发展,数据采集系统在各领域的应用将越来重要,发挥举足轻重的作用。
第二章设计安排
针对国际电工电压标准(+、-)5v的规定。要求能根据信号源电压的范围进行调理和计算,并能根据采样定理设计满足要求的滤波器,然后针对处理后的电压值进行A/D转换、数据标定以及数码显示。
1利用运算电路把不同电压范围的信号处理到0至5V之间。
2根据采样定理,利用有源滤波器对信号进行抗混滤波。
3利用ADC0809等器件对数据进行A/D转换,采用C语言编写A/D转换过程。
4编写C语言上位机通讯程序(采用RS232协议)实现对底层数据的采集与处理。
5已知数据信号电压范围:-—;频率成分:信号频率50—100Hz,干扰频率650—750Hz;滤波器类型:巴特沃思有源滤波器,通带增益Kp=1。
数据采集(Data Acquisition)就是将要获取的信息通过传感器转换为信号,并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤,最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。相应的系统称为数据采集系统。一个数据采集系统通常是由传感器(sensor)、信号调理电路(signal conditioning circuit)、A/D转换器(analog-digital converter,ADC)及微型计算机等4个主要部分组成。信号调理电路包括信号放大、隔离、模拟滤波、多路转换等。
数据采集系统的任务,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,然后送入计算机进行相应的计算和处理,得到所需的数据。同时,将计算机得到的数据进行显示或打印,以便实现对某些物理量的见识,其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
数据采集系统性能的好坏,主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下,应有尽可能高的采样速度,以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。
数据采集系统主要有硬件和软件两部分组成,其中硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。计算机数据采集系统的硬件基本组成如下图2-1所示。
图2-1 计算机数据采集系统的硬件基本组成
从图1可以看出,计算机数据采集系统一般有传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样/保持(S/H)器、模数(A/D)转换器和计算机系统组成。以下介绍各个组成部分的功能。
传感器的作用是把非电的物理量(如速度、温度、压力等)转变成模拟电量(如电压、电流、电阻或频率)。
前置放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小(如:常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间,电阻应变片输出电压的变化只有几个毫伏),因此需要加以放大以满足大多数A/D转换器的慢量程输入5~10V的要求。此外,某些传感器内阻比较大,输出功率较小,这样放大器还起到阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同,因此放大器的种类也较多。例如,为了减少输入信号的共模分量,就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器;为了减少放大器输出的漂移,就产生了斩波稳零和激光修正的精密放大器
。
传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声,人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通