1、11.3.4 AD转换器的选择使用转换器的选择使用 目前，随着集成电路技术的发展，AD转换器的品种很多，性能相差也很大，如何根据数据采集系统的实际需要，选择性能上合乎要求、价格上实惠的AD转换器还是值得关注的。使用ADC之前需考虑的问题主要有：模拟输入电压的量程是多少？可测量的最小信号是多少？采样周期取多大？误差有多大？等等。选择合适的ADC，应了解应用对ADC性能的要求，如分辨率、转换时间、允许误差等。有些情况下，进行这类设计由设计任务书提出，而有的则需要设计者根据总的任务和具体实际来确定这些内容与指标。一般ADC选择应考虑：模拟通道数、数据转换速率、转换精度、传感器的位置、环境（噪声和温度
2、）对转换的影响、系统成本等。1AD转换器的位数确定 首先，位数越多，分辨率越高，价格也越贵。一般将8位及其以下的AD转换器称作低分辨率转换器，912位的AD转换器称作中度分辨率转换器，13位以上的AD转换器称作高分辨率转换器。其次，量化误差（模拟信号数字化时产生的误差）与AD转换器位数有关。从两者的关系看，10位以下的转换器误差较大，11位及其以上的转换器，随着位数的增加，误差减小并不明显。所以，10-11位转换器（加上符号是11-12位）性价比较高，适合很多场合。最后，AD转换器的精度应该与检测器的精度相匹配。由于检测装置也有误差，即测量误差，它与AD转换器的量化误差一起构成了总误差。AD转
3、换器的量化误差在总误差中所占比例应该尽量小，一般来说，量化误差与测量误差之比控制在0.30.5之间较为合理。2AD转换器速率的确定 AD转换器的转换速率是每秒钟完成的转换次数，它是转换时间的倒数。实现一次AD转换花费的时间越长，它的速率就越低，像积分型和跟踪型这类AD转换器的速率就较慢，时间在几毫秒到几十毫秒之间，属低速转换器；逐次比较型AD转换器的转换时间在几微秒到百微秒之间；属中速转换器；而双极型或者 CMOS 型的全并行、串并行混合型和电压转移型AD转换器的转换时间在几十纳秒（nanosecond，ns）之间，属高速转换器。AD转换速率的选择取决于信号的最高频率，原则上应满足采样定理，实
4、际上采样频率取信号最高频率的 510 倍。3确定是否需要配加采样保持器 原则上说，采集直流和变化很慢的检测输出模拟信号可不用采样保持器，除此之外，其它模拟信号一般需要配加采样保持器，以保证转换精度。实际情况是，在测量过程中，被测量在很多情况下是变化的，甚至有时这种变化还很剧烈，作为一种保守方法，配加采样保持器往往是很多人的首选。目前，也有AD转换芯片内部带有采样保持功能，如 AD678、AD679 等。11.4 数据采集设计数据采集设计 通过前面几节的讨论与学习，我们已经具备了设计数据采集系统的一些基础和条件，本节具体介绍设计方法和设计思路，稍后将给出设计实例。数据采样系统的设计首先要了解和熟
5、悉实际问题，分析为了达到预期目的，可能启用的技术和实现手段，确定相应的技术指标，比较和估计实现这些指标可能付出的代价，为最后总体方案提供依据。对于检测信号的数据采集系统来说，需要了解的信息很多，例如，有多少模拟信号需要采集？这些信号变化的快慢和幅度如何？检测信号的用途与去向？对精度有何要求？采用什么样的方案较为合理：集中采集式的，还是分布式采集式的？等等。一般说来，对所要解决的问题了解得越清楚、越细致，最后设计的系统越符合实际要求。11.4.2 数据采集设计数据采集设计 通过对问题的了解与分析，在充分论证和比较的基础上，提出系统总体设计的基本方案。一般需要考虑以下几个方面。1）采样系统的总体结
6、构与组成 画出结构图，确定各主要部分的元器件和功能。例如，考虑总体结构采用集中采集式方案时，具体需要确定：所有来自检测器的信号是通过多路模拟开关共用一套采样保持器和一套AD 转换器，还是各检测器自用一套采样保持器，然后通过多路模拟开关，共用一套AD 转换器？2）AD 通道的设计 这是数据采集系统中重要的一环，其最终要求是根据技术指标和性能的要求，选择相应的芯片和附属电路，确定相关的参数和数值，设计检测支路接通、采样保持、AD 转11.4.1 调查与分析调查与分析11.4.3 采样速率采样速率 由于计算机接受的是数字信号，来自检测器的模拟量需经过采样、量化和编码过程，转化为数字量。通常，检测器输
7、出的各种模拟量，在变化速率上往往有较大差异，例如，温度与电机转速就是这样。所以，采样速率应有差异，并且合理。过高和过低的采样速率对数据采集都不利。如果采样速率过快，AD转换的速率就快，占用内存过多，对处理器的速度和能力就要求高，系统成本会增加；相反，采样速率过低，就会丢失很多信息，等到由采样数据恢复模拟信号时，会出现失真。香农定理（Shannons theorem）作为确定采样频率的一种依据，它要求采样频率大（等）于原始信号频谱中最高频率的两倍，即 ，当采样信号恢复原始信号时，才能不走样。实际应用中一般取：，或 。这里 ，由于受机器速度和容量的限制，采样周期 不能太小，即采样频率 不能太大，经
8、验数据见表11-2。smax(2.53)max(510)ss2/TSTs换、数字量输出等流程，实现预定的功能、达到期望的效果。在这个过程中，有许多工作要做，很多问题需要妥善解决。3）操作面板和接口问题 操作面板的设计应根据采样系统规模大小来确定。大的数据采集系统应有比较齐全的数字键、功能键、显示器、打印机等外围设备；单片机级的数据采集系统相对比较简单，操作面板功能有限。数据采集的接口主要有与检测器、采样保持器、AD 转换器和计算机 IO 等的连接。max2s表表11-2 采样周期选取经验数据采样周期选取经验数据sTsTs(0.250.2)T sT被测量采样周期 （s）说明流量1 5一般取 12
9、 s压力310一般取 68 s液位68温度1520串级系统：（对象纯滞后），副环 主环成分152011.4.4 硬软件设计硬软件设计 数据采集系统的总体设计确定以后，接下来就要进行硬件和软件的具体设计，实现既定方案。硬件是系统的物理基础，软件是系统运作的灵魂，相互结合，共同完成数据采集的任务。1）硬件设计 这一步是对总体设计从硬件方面进行具体化，其工作包括微处理器或微计算机的选择、采样保持器和AD转换器芯片的选择确定，以及相关配套或辅助设施的选取与制作等。具体来说着重在以下两方面：一是根据总体设计思想，设计具体实施方案，包括选取相关模块芯片，绘制各种电路图，计算相关参数和数值等。其中有些东西还
10、需通过实验，才能定下来。要选择和设计的内容包括：模拟多路开关的选择与设计、采样保持器的选择与设计、AD转换器的选择与设计等。二是制作电路、组装连接、调整试验、最后定型。在这个过程中，可能要反反复复，多次尝试、修改和比较，最后确定下来。2）软件设计 软件设计是数据采集系统设计的主要内容之一，它关系到系统运行的质量和效率。由于各系统的任务有差异，采用的计算机和语言不同，难以有一个标准模式，这里仅就一般性问题加以说明。程序设计模块化和结构化。根据数据采集的任务和功能，确定软件设计的流程图，按模块化和结构化的思路进行划分和安排，做到设计的程序既便于调试和维护，又有利于扩展与调用。选择编写程序的语言。一
11、般可供使用的语言有两类：一是汇编语言，它适应于微处理器、单板机、单片机构成的系统，具有运行速度快、通用性差的特点；二是高级语言，如 BASIC、FORTRAN、C、VB 等，它适用于微型计算机构成的系统，具有编程容易、数据处理快的特点。调试程序。程序编完之后，需要进行调试与修改，这一步费时费神，应有耐心。这里也有一些技巧，如：先调子程序，后调主程序，分段、分层进行调试等。11.4.5 系统的抗干扰系统的抗干扰 检测信号的数据采集系统抗干扰是不可忽略的，它关系到计算机接纳信号的质量问题。尽管各检测器普遍施用了抗干扰技术，对于数据采集来说，应有自身的抗干扰措施。1)供电系统的抗干扰 数据采集系统的
12、供电大多采用 220V、50Hz 的交流电，鉴于数据采集现场环境复杂、情况多变，有必要采取相应措施：对于供电不稳定地区，可加交流稳压器，以保供电稳定；用隔离变压器，可消除系统地与电网地的电位差，阻止环流和共模干扰；采用电源低通滤波器，可滤除高次谐波；当系统中用继电器、磁带机等电感设备时，应与数据采集电路的供电分开。2）输入通道的抗干扰 模拟信号从检测器到CPU的传输过程中，干扰主要有：一是因公共地线侵入的干扰，二是传输线路较长时，受静电和电磁波噪声的干扰。一般抗干扰从以下三方面考虑：隔离，即在检测器与数据采集电路之间，采用隔离技术，主要有光电隔离和电磁隔离两种；对长线传输信号而言，抗干扰主要有
13、阻抗匹配和长线驱动。对于长线驱动，主要是因线路过长，信号幅度衰减，以及串扰与噪声的引入使得传输出错，通常的应对办法是采用驱动电路和接收电路；AD转换器主要是抗串模干扰和抗共模干扰。3）软件抗干扰 这类抗干扰措施主要有：用软件消除多路开关的抖动，主要是用软件延时来实现，它比用硬件滤除抖动来得简单；用软件去除采集数据中的零电平漂移，电子器件对温度敏感，零电平随温度变化而缓慢漂移，其结果会叠加到采样数据上，从而导致误差。“清零点过程程序”是具体的应对措施。除了上述措施之外，还有一些其它的软件抗干扰方法，如数字滤波。11.5 数据显示数据显示 经过调理电路处理和AD变换的数字信号，或者由计数器获得的数
14、字信号，除了送入计算机进一步使用之外，往往需要将其显示出来，以便工作人员监督、管理和维护。数据显示电路通常由计数器或存储器、译码器、驱动器和显示器组成，如图11-17 所示。其中，译码器将二进制数码转换成数码管能接收的信号，驱动器增大信号的强度，以便驱动显示器工作，显示器是用来表现数字、文字和符号的器件。计数器存储器译码器驱动器显示器数字信号1 2 3图图11-17 数字显示电路数字显示电路 显示部分可用不同发光段方式组合的七段数字式显示器，显示十进制数字和部分字符。常见的数据显示器件有：荧光数码管（fluorescent digital display tube）、辉光数码管（glow nu
15、merating tube）、发光二极管（light emitting diode，LED）显示器、液晶显示器（liquid crystal display，LCD）和阴极射线管（cathode ray tube，CRT）显示器等。其中，辉光数码管工作电压高、体积大，荧光数码管消耗功率大、灯丝寿命短。下面就使用率较高的数据显示器件作进一步介绍。11.5.1 LED 数码管数码管 LED 数码管具有工作电压低（正向压降小于2伏）、体积小、寿命长、可靠性高、响应时间短（0.1 ）和亮度高等优点。但是，它不能显示文字和图形，工作电流也不低（大于10 mA）。1结构 LED 数码管由7根条状和一个点状
16、的发光二极管组成，每个发光二极管利用PN结将电能转化为光能，根据制作材料的不同，发光二极管可发出红、黄、绿和白等不同色彩的可见光。发光二极管与普通的二极管类似，正向电压较低，一般在 2V 左右，工作电流有十几毫安。s LED 数码管组成一个“日”字形状，该字的每段由一根条状发光二极管组成，分别用a、b、c、d、e、f 和 g 表示，字的右下角是一个点状的发光二极管，为小数点，用 h 或 dp 表示，如图11-18（a）所示。如果不用小数点，可让其空闲。通过控制，日字形数码管不同段的点亮和熄灭可以显示数字字符和部分英文字母字符。LED 数码管分共阴极和共阳极两种，如图11-18（b）所示。共阴极
17、的数码管阴极共地，当某个发光二极管阳极为高电平时，点亮该管。共阳极数码管的发光二极管阳极并联接电源正极。2LED构成的显示器图图11-18（b）数码管结构数码管结构图图11-18（a）7段段LED数码管数码管 多个LED数码管可以组成一个多位LED显示器。这种显示分为静态显示和动态显示。（1）多位LED显示器的静态显示 简单地说，多位 LED 显示器的静态显示就是各数码管同时显示。这就要求各个LED数码管的位选端连接在一起，或者接地（共阴极），或者接+5V（共阳极），而每位数码管的段选分别接至一个8位并行IO接口，或者锁存器，如图11-19 所示。多位LED显示方式具有显示程序简单、占用 CP
18、U 时间少、显示亮度强。但是，它占用IO资源多，尤其在信号交换频繁的场合，显得应接不暇。（2）多位LED显示器的动态显示 多位LED显示器的动态显示就是LED数码管逐位轮流显示，由于每位数码管显示间隔很短，加上人的视觉暂留现象，于是，产生了各数码管同时显示的感觉。具体实现方法如图11-20 所示。所有位的段选端连接在一起，由一个8位输入输出口I/O(1)控制，而各位的位选端由另一输入输出口I/O(2)控制，也就是说，这里仅用了两个8位IO接口，一个控制段选，一个控制位选。假如某一位的位选端为低电位，其余位的位选端均为高电位，则该位共阴极 LED 数码管的显示由段选码确定数字，其余各位数码管熄灭
19、。每次段选码和位选码选中一位数码管后，传输数据，并延时15ms，给人的视觉产生残留的感觉，然后段选和位选选通下一位数码管，并进行同样的操作，一直循环下去。等所有位均选择一次后，则一个循环周期结束，大约为 50ms 左右。这样，我们就可以获得稳定的视觉显示效果。图图11-19 四位静态四位静态LED显示器的静态显示结构电路显示器的静态显示结构电路 3CMOSLED组合器件 CMOSLED 组合器件是将CMOS计数锁存译码驱动LED显示等5种功能集于一身的新型显示器件。它主要用于各类数字化仪表、仪器、无线电整机以及与微机接口 的自动化设备中。该类组件工作稳定可靠、使用方便、性能良好。图图11-20
20、 八位八位LED显示器动态显示结构电路显示器动态显示结构电路 CL102是一种 CMOS-LED 十进制数码显示器产品，图11-21 为其逻辑结构示意图。其中，R为复位端（高电位有效），E 是时钟脉冲输入端（下降沿触发），是时钟输入端（上升沿触发），是十进位输出端（下降沿触发），A、B、C、D为BCD码输出端，用于数据记录及处理，LE为锁存端（低电平选通，高电平锁存），和 分别为消隐无效零的输入、输出端（低电平有效），BI为强迫消隐控制端（高电平有效），为小数点消隐控制端（低电平消隐），V 为 LED 显示器的公共负极，用于调整数码管的工作电流及显示亮度。它的电源电压范围较宽，当使用电源 时，
21、应将V与 短接，此时显示器亮度适中，不需外接限流电阻。当 采用高于5V电源时，应在V与 之间串接PCOCRBIRBODPIDD5VV SSVDDVSSV限流电阻 R，其阻值按下式计算 DD3.6V50 mAVR图图11-21 CL102逻辑结构图逻辑结构图 通常将38只这样的 CMOS-LED 组合器件安装在一起，构成38位十进制数的显示组合电路。一般的做法是将其安装在印制板上，并与显示窗的框架固定在一起，形成一体化的产品，选购和使用比较方便。11.5.2 LCD显示器显示器 能在一定温度范围内兼有液体和晶体二者特性的有机化合物称为液晶。液晶显示器是利用液晶的各项电光效应，将液晶对电场、磁场、
22、光线和温度等分界条件的变化转换为可视信号的显示装置。液晶显示器最早是1968年美国RCA公司制造的，目前已经广泛地应 用于钟表、仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电子宠物、袖珍彩电、大型平板显示器、投影电视等家用、工业和军事显示领域。LCD具有工作电压低、功耗小，制作工艺相对简单，易于与CMOS电路配合使用等特点。根据需要，可制成仅显示数码和字符的LCD显示屏，还可以制成显示复杂图像的显示器。LCD通常采用交流驱动，电压范围在36V。LCD是容性负载，适应于在低频下工作。LCD的驱动方式有静态和动态两种。在静态驱动方式中，显示器的每个字段均引出电极，公共电极连到一起后引出。显然，显示的位数越多，
23、引出的线和相应的驱动电路也越多。所以静态驱动适用于显示位数较少的场合。而动态驱动适用于显示位数较多的场合，它是用矩阵驱动法来驱使字符显示。字段引线相当于行线，公共电极相当于列线，字符的每个字段相当于矩阵的一个点。图图11-22 采用采用C306驱动的驱动的LCD电路电路 图 11-22 是采用数字集成电路 C306 驱动液晶显示器的电路。近几年来，虽然 CRT 显示器的技术越来越成熟，显示质量也越来越好，但它体积笨重、有辐射、功耗大的毛病始终存在。由于液晶屏的关键技术不断取得新的突破和价格的下降，液晶显示器已经逐渐取代 CRT 显示器。11.5.3 数字存储示波器数字存储示波器 数字存储示波器
24、是数据采集和 CRT 显示的综合应用，它包括数据采集和显示两大部分。数据采集主要有多路模拟开关、采样保持和模数转换等，前面对此已经作过介绍，这里不再重复；显示方式一般有垂直光栅显示、随机偏转方式和电视扫描方式等。所有这些与常规的示波器有明显的不同，它的工作程序是：首先将检测器的输出模拟信号进行AD转换，然后存入存储器，再按顺序读出，通过DA转换，还原成模拟信号，并进行显示。这里，除了保留一般示波器的显示功能之外，还增加了存储、调用等新功能。数字存储示波器的显示方式灵活多样，主要有：1）实时实况波形显示。这一点与一般示波器的功能相同。2）保留画面显示。将某一时刻的画面保留在荧光屏上，以便仔细分析
25、和考察，从中对所关切的问题作出正确的判断和决定。3）存储显示信息。将某一事件的前后信息存储下来，以便需要时，可将这些信息调到荧光屏上。另外，数字存储示波器也能同时显示多路信号，方便对不同信号的波形进行对比和特 征化分析。目前，也有不少的计算机软件，利用计算机的基本配置，能够实现多路信号的同时显示和切换，操作也很方便，限于篇幅不多讨论。11.6 数据采集与显示实例数据采集与显示实例 本节在前述几节内容的基础上，通过以单片机 8031为核心组成的数据采集和显示系统，具体说明在设计这类系统时应考虑的一些问题，给出框架式的结构和组成。该系统可实现对过程控制中温度、压力等参数的实时采集与显示。11.6.
26、1 对测量指标的要求对测量指标的要求 1）温度测量范围：0120，超出范围时应声光报警。2）温度测量精度：0.5。3）压力测量范围：04kg/，超出范围时应声光报警。4）压力检测精度：0.02kg/。5）9位LED显示测量值，其中，1位显示温度代码“T”，4位显示温度值（3位整数，1位小数），1位显示压力代码“P”，3位显示压力值。6）每分钟测量一次，即测量周期为60秒。11.6.2 硬件设计硬件设计2cm2cm 1.系统配置与硬件结构电路 系统结构电路图如图11-23所示。它分为输入通道、输出通道、控制单元和数据显示 等四部分，下面分别叙述。图图11-23 单片机温度压力数据采集与显示电路结
27、构图单片机温度压力数据采集与显示电路结构图 （1）输入通道 温度和压力检测：由于温度和压力都不高，且变化范围也不宽，所以可选热敏电阻和电阻应变片分别作温度传感器和压力传感器。信号调理方面，最少需配备信号放大器，对信号进行放大，其它调理需根据现场实际进一步考虑。温度满量程定为125，压力满量程定为5kg 。假如选用 8 位AD转换器，其温度测量精度可达0.49，压力测量精度可达 0.0195 kg ，所以，这样的选择既能满足测温和测压的精度要求，又能降低硬件成本。2cm2cm 巡回采样：就温度和压力变化来说，温度量变化较慢，压力量变化稍快，而且要求的精度不高，如果采样周期选择每分钟检测一次，应该
28、说采样频率还是符合实际的。如果选用逐次逼近型AD转换器，其转换时间一般有几十微秒到一百多微秒，因此，可以不用保持器。选八路模拟开关作巡回采样开关，开关的切换频率不可小于AD转换速率。（2）输出通道 由于这是一个温度和压力数据采集和显示系统，其采集到的信号除了送 CPU 作进一步控制算法之类的运算之外，还需将其通过一定的方式显示出来，所以这里选用LED数码管进行温度和压力的显示。由于有4个温度检测点和4个压力检测点（见图11-21），可设置4 套 9位LED显示装置，它们包括数码管、译码器、锁存器等。在每套显示装置中，温度数值显示占4个数码管：前三位为整数位，后一位为小数位，温度代号“T”占一个
29、数码管；压力数值显示占3个数码管，压力代号“P”占一个数码管。8个物理量共用一套电声超限报警器，至于是哪一路物理量超限，可用指示灯和LED显示。（3）系统控制部分 系统控制采用 8031 单片机，为提高处理能力，其巡回检测定时以中断方式报告，一分钟时长由单片机内定时计数器完成。2相关元器件的选择 （1）热敏电阻和应变片的选择 A所选量程应大于或等于系统所要求的量程。B线性度和精度要高于系统要求的精度。这是因为在测量系统中，系统的精度和线性度除了与传感器有关之外，还与输入通道的其它元器件有关，如桥式电路、放大器和AD 转换器等。另外，各元器件的输入输出阻抗匹配也影响精度。从原则上说，系统的精度和
30、线性度是由各部分组成的，各部分先要满足要求，然后是前后部分的配合。选择元器件应根据系统对精度和线性度的要求，并考虑一定的余量。线性度可用软件进行校正。（2）信号放大 放大采用测量放大器。如果测量现场有频繁且很强的干扰，可用隔离放大器。对于比较弱小的高精度信号，可采用二级放大器，第一级为测量放大，以提高输入通道的共模抑制比，第二级为普通运算放大器，将第一级的输出信号放大到足以满足AD转换的要求。（3）模拟多路开关的选择：8 输入，1输出。可以单独选择一块模拟多路开关，也可选择带有多路开关的AD转换器，例如ADC809。前者便于维护与调整，后者结构紧凑，可靠性较高。（4）声光报警，每个通道需要一个
31、状态就可实现一路的报警，8个通道选用一个8位数字锁存器即可满足需要。11.6.3 软件设计软件设计 鉴于本系统选择的采样周期较长，为了简化程序，采用等8路数据全部采样结束后，再对各路数字量进行标度变换并送显示。软件中的标度变换就是进行量纲变换，对于本系统而言，就是将数字量 FFH 分别标定为温度 125和压力 5kg ，所以，需要通过软件将实测的数字量变换为对应的温度值和压力值，其算式分别为 2cmx125255nxT nx5255xP，其中，为实测的数字量，为十进制温度值，单位为，为十进制压力值，单位为kg 。2cmnxxTxP 另外，为了提高抵御外界干扰的能力，将采样值经中值滤波后，再进行
32、相应的变换和显示。该系统的软件程序主要包括主程序、中断服务程序和子程序。主程序：其任务是初始化、报警和显示。其中，初始化包括对单片机初始化、设置存储采样数据的存储区指针、设置存储中值滤波结果的存储区指针等。中断服务程序：包括一分钟定时到的中断服务程序、AD转换结束中断服务程序。子程序：包括将十进制数转换成BCD码的子程序、标度变换子程序等。图 11-24为 4 路温度、4 路压力采样程序流程图。图图11-24 温度和压力采样程序流程图温度和压力采样程序流程图本章小结本章小结 本章是检测技术最后一部分内容模拟检测信号的输出。对于信号的应用（运算、控制或显示）来说，是信息的输入，即模拟电信号的输入、数据的采集。所以本章对于检测来说，是一个输出环节，对于应用来说，是一个输入的环节，它处在一个承上启下的位置。本章首先概述了数据采集系统的分类、组成部分、结构等基本情况，然后讨论了采样保持器和AD转换中的技术问题，接下来讲述了数据采集系统的设计内容和方法，紧接着介绍了数据显示的问题，最后举例说明它们的应用情况。从教学上来说，这部分内容再配合检测信号的数据采集与显示实验，将是检测技术最后环节较为齐全的教学方案。通过该内容的学习与实践，初学者应该在数据的采集、转换、显示以及与计算机的接口方面，有进一步的提高。思考题与习题（略）思考题与习题（略）参考文献（略）参考文献（略）
