片机的多路高精度数据采集系统设计.pdf

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1、第1 9 卷第3 期2 0 0 7 年6 月海军工程大学学报J O U R N A L0 FN A V A LU N I V E R S I T Y0 FE N G I N E E R I N GV 0 1 1 9N o 3J u n 2 0 0 7文章编号：1 0 0 9 3 4 8 6(2 0 0 7)0 3 一0 0 6 2 一0 4基于C P L D 与单片机的多路高精度数据采集系统设计李庆1，亓科1，于敬芬2(1 武汉理工大学信息工程学院，武汉4 3 0 0 7 0；2 武汉理工大学自动化学院，武汉4 3 0 0 7 0)摘要：结合C P L D 与单片机设计了一种多路高精度数据采集

2、系统，最高可达2 4 位转换精度。所采集数据具备良好的实时性，可采集通道数目多，同时系统具备较强的抗外界干扰能力，结构简单，可靠性好。该系统具有较强的可移植性，能够广泛应用于多路、高精度、低频数据采集的场合。关键词：数据采集系统；A D 7 7 1 4；C P L D；单片机中图分类号：T P 2 7 4文献标志码：AD e s i g no fam u l t i c h a n n e Ih i g ha c c u r a c yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nC P L Da n ds i n g l ec h i pm

3、 a c h i n eL IQ i n 9 1，Q IK e l，Y UJ i n g f e n 2(1 S c h 0 0 1o fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g，W u h a nU n i v o fT e c h n o l o g y，W u h a n4 3 0 0 7 0，C h i n a；2 S c h o o lo fA u t o m a t i o n，W u h a nU n i v o fT e c h n o l o g y，W u h a n4 3 0 0 7 0，C h i n a)A b s t r

4、a c t：B a s e do nC P L Da n ds i n g l ec h i pm a c h i n e，t h em u l t i c h a n n e lh i g hp r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d T h ep r e c i s i o nc a nr e a c ht o2 4b i t s I tc a nb eu s e dw i d e l yf o rm u l t i c h a n n e lh i g hp r e c

5、 i s i o nd a t ac 0 1 l e c t i o n K e yw o r d s：d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m；A D 7714；C P L D；s i n g l ec h i pm a c h i n e目前，应用中的高精度数据采集系统在A D 转换之前有单级或几级前置放大，用于把传感器输出的微弱模拟信号放大到满足A D 转换要求。由于前置放大容易引起低频干扰和放大器漂移，因此系统采集的数据存在一定误差。应用这些系统对多个信号进行采集时，常规思路是使用多路模拟开关来选择需要检测的信号，由M C U 控制模拟开关及A D 芯

6、片，完成转换数据的处理。本文基于C P L D(复杂可编程逻辑器件)与单片机设计了一种多路高精度数据采集系统。C P L D 突出的特点是I O 资源丰富，工作频率高。选用单片机作为系统的M C U，可以大大降低系统成本。本设计将C P L D 与单片机有效结合起来，采用A D 芯片A D 7 7 1 4 实现对航天器燃料箱内的多个参数进行实时、精确的检测。A D 7 7 1 4 片内具备模拟前端，传感器信号可直接输入到芯片。由于不需要独立的前置放大和多路模拟开关电路，系统抗外界干扰能力大大提高。该系统结构简单，运行稳定，便于维护。1系统原理本设计中C P L D 与单片机一同构成系统的控制核

7、心，整个系统结构如图1 所示。在燃料箱内自底部至顶部的垂直高度上，平均划分为1 6 个区段，每一区段设置检测各参数的传感器。由于分段采样，一方面所采集参数的精度将显著提高，另一方面若某区段的传感器发生故障，其它区段的检测仍然可以继收稿日期：2 0 0 6 1 1 1 6；修回日期：2 0 0 6 1 2 2 6。作者简介：李庆(1 9 6 0 一)，女，副教授，硕士。万方数据第3 期李庆等：基于C P L D 与单片机的多路高精度数据采集系统设计续，不会致使系统立即瘫痪。首先，各传感器对参数进行采集，并将其转换为相应的模拟量信号。该信号送人A D 单元实现信号放大，并完成信号从模拟量向数字量的

8、转化。然后，转换得到的多路数字量均送入C P L D 中。C P L D 一方面对A D 7 7 1 4 进行逻辑控制，并接收转换后的数据，另一方面根据单片机的要求将相应通道的数字信号发送到单片机。最后，单片机将C P L D传来的数据传送到上位机，并将上位机要求检测的通道号传递到C P L D。单片机与上位机之间的通信采用串行方式，在保证数据传输速度的同时，有效降低了系统的成本；与C P L D 之间采用并行方式，使得数据传输速度和稳定性得到保障。2硬件实现1 61 母燃；料：箱2匦一。j。髓X 吁图1 系统结构框图2 1A D 7 7 1 4A D 7 7 1 4 是A D 公司生产的2

9、4 位一串行模数转换器，适用于低频高精度测量，具有完整的模拟前端。从传感器获得的信号可以直接输入芯片，通过编程在片内实现从1 至1 2 8 共8 档逐渐倍增的增益放大。该芯片包含8 个片内寄存器，其中常用的为通信寄存器、模式寄存器和数据寄存器。芯片上电或复位之后，首先进入写通信寄存器状态，写入的数据决定了对芯片接下来的操作是读还是写，以及对哪一个寄存器进行操作。完成了相应的后续操作，芯片就回到写通信寄存器状态。模式寄存器是8 位可读写寄存器，用于设置芯片的工作模式，以及选择对输入信号的增益量大小。滤波寄存器是两个可读写的8 位寄存器，用丁设置转换数字量的字长(1 6 2 4 位)、对模拟量滤波

10、的各项参数等；数据寄存器是一个只读寄存器，可编程为1 6 位2 4 位宽度，存储芯片最新的转换结果，是否有新的转换结果由芯片的2 0 脚(D R D Y 非)是否变为低电平来表示u j。2 2C P L D在本系统中，C P L D 选用A 1 t e r 公司生产的M A X 7 0 0 0 系列E P M 7 1 2 8 S L C 8 4 型芯片。该C P L D 具有6 8 个自定义的I O 口，P L C C 一8 4 封装，最高工作频率可达1 7 8M H z。由于支持I S P 技术，对器件逻辑功能的修改和升级非常方便，适用于I 0 口较多的数字电路中跚。2 3单片机单片机选用A

11、 t m e I 公司生产的A T 8 9 S 5 1 型F L A S H 单片机。该单片机的引脚定义及指令语句与C 5 1 单片机相同，而S 5 1 单片机支持I S P 技术，使得它在软件完善和扩充方面具有较强的灵活性跚。数据采集系统整体硬件连接如图2 所示(图中以一片A D 7 7 1 4 为例，其它多片接法与此相同)。每片A D 7 7 1 4 通过5 根导线与C P L D 相连，D I N 用于向A D 7 7 1 4 的寄存器写入数据，D O U T 用于从A D 7 7 1 4 的寄存器中读出数据。D R D Y 非电平的变化指示是否有新的转换数据生成。S C L K用作C

12、P L D 与A D 7 7 1 4 之间数据传输的串行时钟、R E S E T 置高电平时用来复位A D 7 7 1 4。单片机的P 1、P 2 口各八位以及P 3 2 均与图2 系统硬件连接 万方数据6 4 海军工程大学学报第1 9 卷c P L D 相连，P 1 口用于从c P L D 中读取数据，P 2 o P 2 5 用于向C P L D 中写入数据。P 2 6、P 2 7 用于提供时钟脉冲S C L K l(用于C P L D 与单片机数据传输)、S C L K 2(周期1 s 的信号)。P 3 2 用于C P L D向单片机传输数据时的同步。P 3 o、P 3 1 与上位机相连，

13、实现与上位机之间的串行通信。3 软件设计及实验测试3 1C P L D 的软件设计对C P L D 采用V H D L 语言进行软件设计，在M U XP I。U S 环境中编辑芯片的逻辑功能。C P L D对A D 7 7 1 4 逻辑控制的过程如下：首先选择输入通道N 一1，然后依次设置滤波高寄存器、滤波低寄存器、模式寄存器，并初始化自校准系数，该过程通过D I N 向A D 7 7 1 4 写人数据。设置完成之后，C P L D等待D R D Y 非引脚的电平变化，当该引脚电平由高变低指示有新的转换数据生成时，C P L D 设置通信寄存器，使得下次对芯片的操作是读取数据寄存器。转换数据从

14、数据寄存器通过D O U T 引脚传到C P L D(A D 7 7 1 4 首先输出的是数据的最高位，最后是数据的最低位)。一个通道转换完成后，依照上述过程进行下一通道N+1 的转换，直至3 个通道均完成，再次回到第一个通道循环。在C P L D 内部为每个通道的转换数据设置存储单元，用来存储该通道最新的转换信息。由于V H D L 语言并行执行的特点，多片A D 7 7 1 4 是同时进行数据采集的。C P L D 在控制A D 7 7 1 4 的同时还与单片机保持通信，接收单片机发送的通道号，并将该通道相应的转换数据送到单片机 4 5 J。该过程的具体流程如图3 所示。为保证2 4 位无

15、误码输出，A D 7 7 1 4 的数据输出频率设置读检测通道号转换数据送移位寄存器发送次数计数=1s c L K l 上升沿，移位寄存器左移八位送发送寄存器s c L K l 下降沿，通知单片机开始接收，计数加l乏至堕J=3 发送完成?=-l 是通知单片机停止接收l图3C P L D 与单片机的通信流程为5 0 H z(A D 7 7 1 4 的数据输出速率等于滤波器第一陷波点的频率，通过写滤波寄存器来设置)。当单片机向C P L D 发送所要检测的通道号后1s(由S C L K 2 提供时钟信号)之内相应A D 7 7 1 4 的2 0 脚不指示有新的转换数据时，C P L D 将该A D

16、 7 7 1 4 的R E S E T 置高电平，使其复位到上电状态，以保证系统在出现软件故障时能够自我修复。3 2 单片机的软件设计单片机接收上位机的命令，将所要检测的通道号编码，通过P 2 o P 2 5 发送到C P L D，C P L D 响应的数据存放在2 4 位的数据寄存器中。单片机把通道号发给c P L D 以后，就把数据寄存器清零凹1。从C P L D 接收数据的过程如图4 所示。3 3 数据采集测试结果将2 只阻值1 1K Q，步进值1Q 的精密电阻箱串连后接f 一5V 的恒压源。A D 7 7 1 4 的一路输人接两电阻箱连接点，R E F I N(+)、A V D D 均

17、接至f，放大增益系数设为1。A D 7 7 1 4 最小分辨率为5 0 0 0(2 2 4)一2 9 8 1 0“m V，将该值乘以转换后的数字量输出即为系统检测的U 值。根据电阻箱R 1 与R 2 的示数可以计算出U 的理论值U 一50 0 0 R 2(R 1+R 2)m V。调节R 1、R 2，将多组抽样U 的理论值与系统检测值比较，得到如表1 所示的结果：否接收上位机数据检测通道号送c P L D数据寄存器清零，接收次数计数=1c P L D 是否通知接收数据?是s c L K l 下降沿，接收数据送接收寄存器s c L K l 上升沿，接收寄存器数据左移送数据寄存器，计数加lL 互堕l

18、 是发送数据至上位机图4 单片机与c P L D 的通信流程 万方数据第3 期李庆等：基于C P L D 与单片机的多路高精度数据采集系统设计6 5 表1 理论值与系统检测值比较R 1 nR 2 n理论U m V 检测u m V误差m VR 1 nR 2 n理论U m V 检测U m V误差m V99 9 91O 5O 4 9 6一O 0 0 499 7 03 01 51 4 9 9 50 0 0 599 9 8210 9 9 7一O 0 0 399 0 01 0 05 05 0 0 0 20 0 0 299 9 0l O55 0 0 2O 0 0 29O O O1O O O5 0 05 0

19、0 0 0 6O 0 0 699 8 02 01 01 0 0 0 3O 0 0 3由表1 可以看出，系统的电压采集误差控制在o 0 1m V 之内，达到了较高的检测精度。4结束语针对航天器液态燃料加注过程中的需要，本文设计了多路高精度数据采集系统。由于在系统中选用了C P L D，解决了多片A D 7 7 1 4 同时进行数据采集的难题。系统结构简单，抗干扰能力强，便于维护，运行稳定、可靠。本系统具有广泛的应用价值，可移植到其它高精度、低频率的数据采集场合，适用范围较宽。参考文献：1 郑应强，杨金岩A D 7 7 1 4 模数转换器的工作原理及应用 J 国外电子元器件，2 0 0 0，(6)

20、：2 4 2 孔德明基于c P L D 控制的实用数据采集系统 J 电子产品世界，2 0 0 5，(1 0)：1 0 1 1 0 3 3 刘国强，唐东兴，李兴伟基于A T 8 9 C 5 1 单片机的高精度测温系统的研制 J 仪器仪表学报，2 0 0 5，(8)：2 5 8 2 6 2 4 刘忠，黄健全，徐坤基于C P L D 的高速数据采集系统的设计与实现 J 电子技术应用，2 0 0 6，(4)：7 1 7 3 5 李中华一种远程数据采集模块的设计 J 化工自动化及仪表，2 0 0 3，3 0(2)：4 8 5 3 6 严承华，程尔升基于多通道通信技术的高速数据采集器的研制 J 海军工程大

21、学学报，2 0 0 1，1 3(1)：3 5 3 7 零a 孓搴；芦苔啦；啦爵祭祭祭秘零祭零苔啦莽茸轧琴迎孓祭祭祭祭祭牙砭孓a 孓牙啦爵葛啦孓g a 岔迎峪a 孓葛强祭零零零零；孓雾祭a 器(上接第5 5 页)参考文献：1 杨为民可靠性、维修性、保障性总论 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 0 2 王新磊，吕建伟舰船总体可靠性建模方法研究 J 海军工程大学学报，2 0 0 6，1 8(2)：9 4 9 8 3 邱志明，郭勇，赵京旭，等舰炮武器系统分析 M j 京：兵器工业出版社，1 9 9 9 4 陈海英，郭巧，徐力短跑运动能力的神经网络评价方法 J 北京理工大学学报，2 0 0 3，2

22、3(1)：5 4 5 7 5 周燕，陈恨中，李为民基于B P 神经网络的弹炮结合系统作战效能评估 J 系统工程与电子技术，2 0 0 5，2 7(1)8 4 8 6 6 飞思科技产品研发中心神经网络理论与M a t l a b 7 实现 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 万方数据基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计基于CPLD与单片机的多路高精度数据采集系统设计作者：李庆，亓科，于敬芬，LI Qing，QI Ke，YU Jing-fen作者单位：李庆,亓科,LI Qing,QI Ke(武汉理工大学,信息工程学院,武汉,430070)，于敬芬,YU Jing-fen(武汉理工

23、大学,自动化学院,武汉,430070)刊名：海军工程大学学报英文刊名：JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING年，卷(期)：2007，19(3)被引用次数：4次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.郑应强.杨金岩 AD7714模数转换器的工作原理及应用期刊论文-国外电子元器件 2000(06)2.孔德明 基于CPLD控制的实用数据采集系统期刊论文-电子产品世界 2005(10)3.刘国强.唐东兴.李兴伟 基于AT89C51单片机的高精度测温系统的研制期刊论文-仪器仪表学报 2005(08)4.刘忠.黄健全.徐坤 基于CPLD的高速数据采集系统的设计与

24、实现期刊论文-电子技术应用 2006(04)5.李中华 一种远程数据采集模块的设计期刊论文-化工自动化及仪表 2003(02)6.严承华.程尔升 基于多通道通信技术的高速数据采集器的研制期刊论文-海军工程大学学报 2001(01)相似文献(9条)相似文献(9条)1.期刊论文 梁祥.安学军.张永军.范振江.武力 基于AD7714的高精度隔离数据采集系统-单片机与嵌入式系统应用2005,(9)简要介绍24位-模数转换器AD7714的性能和特点,详细讲解该芯片在高精度测量仪器中的应用.叙述如何使用AD7714实现多路、多量程的直流电压测量,重点说明SPI数据总线的光电隔离实现办法,并根据工程实践总结

25、提高抗干扰能力的途径和印制电路板的的制作要点.采用上述办法,该数据采集系统成功地组合了多个AD7714,实现多路A级电流的精密测量.文中给出相关电路原理图和MCS51单片机与AD7714的接口程序实例.2.会议论文 周百力.潘显章 基于AD7714的多通道海洋重力仪数据采集系统 2003 文章介绍了24位A/D转换器AD7714的性能、特点,由它与AT89C2051单片机构成的多通道海洋重力仪数据采集系统的接口方法,以及用可视化编程工具的功能.3.期刊论文 田培根.王平.李晓强.Tian Peigen.Wang Ping.Li Xiaoqiang 海缆无源探测数据采集系统的设计-舰船电子工程2

26、006,26(5)针对海底光缆无源探测技术对数据采集的要求,采用了将TMS320VC5402的多通道缓冲串行口MCBSP配置为通用I/O串口与AD7714进行通信的方式,设计了一种由TMS320VC5402和AD7714组成的数据采集系统,对系统的整体结构、数据采集接口以及软件设计流程做了重要的阐述.4.会议论文 田培根.左名久.李海林 基于McBSP配置的海缆无源探测数据采集系统的设计 2006 针对海底光缆无源探测技术对数据采集的要求,采用了将TMS320VC5402的多通道缓冲串行口McBSP配置为通用I/O串口与AD7714进行通信的方式,设计了一种由TMS320VC5402和AD77

27、14组成的数据采集系统,本文对系统的整体结构、数据采集接口以及软件设计流程做了重要的阐述.5.期刊论文 张波.经亚枝.张焕春 AD7714模数转换器的原理及应用-半导体技术2001,26(4)介绍了美国AD公司一种高精度24位-型模数转换器AD7714的主要工作原理、基本功能，以及在大坝数据采集系统中的应用。6.期刊论文 李顶根.曹继光.陈传尧 材料试验机的数据采集与联网系统-计量技术2004,(5)本文把24位-型模数转换器AD7714应用于材料试验机的数据采集系统,介绍了AD7714的性能特点和使用要点.在此基础上,探讨了基于多串口通信和TCP/IP协议两种多台试验机联网方式.结果表明:该

28、系统实现了多台试验机数据采集的高精度和网络化,便于管理,只有很高的推广价值.7.会议论文 程凤霞.冯宏 基于SPI接口的低功耗、高速矿用数据采集系统 2007 介绍了带有SPI接口的单片机P89V51RD2BN以及符合SPI通讯协议的串行模数转换器AD7714-5。采用P89V51RD2BN的SPI模式,可将P89V51RD2BN与AD7714-5直接相连,从而无须任何转换就实现了高速数据采集与传输,并给出了P89V51RD2BN与AD7714-5的硬件接口电路及软件设计。8.期刊论文 周百力 CHZ海洋重力仪的多通道数据采集系统设计-海洋测绘2004,24(1)介绍了24位A/D转换器AD7

29、714的性能、特点,以及它与AT89C2051单片机构成的CHZ海洋重力仪多通道数据采集系统.用Visual Basic 6.0实现了视窗界面的各通道测量数据的实时图形显示、存储和打印.9.期刊论文 陶锐.周学军.李伟.TAO Rui.ZHOU Xue-jun.LI Wei 基于DSP的高精度数据采集与处理系统-国外电子元器件2005,(11)结合海底光缆无源探测技术设计了一种由TMS320VC5402型DSP和AD7714型A/D转换器组成的高精度数据采集系统,并由TMS320VC5402实现高性能IIR数字滤波器.引证文献(3条)引证文献(3条)1.张九宾.张丕状.杜坤坤 基于单片机与CPLD的无线控制系统期刊论文-现代电子技术 2009(1)2.陈磊.龚瑞昆.张申坤 基于CPLD与单片机的控制系统设计期刊论文-河北理工大学学报（自然科学版）2008(4)3.程建鑫.何玉珠.向复生 通用数据采集系统的设计期刊论文-电子测量技术 2008(5)本文链接：http:/