數(shù)據(jù)采集與處理作業(yè)doc

1、一、論述高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。主要考慮因素：射頻干擾問題，差模輻射，共模輻射，電源去耦，連線端接，接地技術(shù)，模擬/數(shù)字混合系統(tǒng)，PCB設(shè)計(jì)。可能產(chǎn)生的影響、問題解決方法、注意事項(xiàng)等。答：電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。換句話說，即設(shè)備不會由于受到

2、同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁干擾而導(dǎo)致不允許的性能降低或失效；同時，設(shè)備也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁干擾而導(dǎo)致不允許的性能降低或失效。以下是從不同角度對電磁兼容性的討論：1.射頻干擾就是電磁波所帶來的干擾.防止射頻干擾最佳的方法是保證層間布線盡量短，避免產(chǎn)生額外的諧振回路。短的連線能減小電感阻抗、縮短信號傳輸延時。2.差模輻射：應(yīng)減小電流幅度I，減小信號頻率及其諧波，加大數(shù)字信號上升/下降沿 tr，減小環(huán)面積S ，將信號線緊挨接地線。3.共模輻射：共模電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射，對周圍的電路形成輻射性干擾，盡量減小激勵此天線的源電壓，即地電位；提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗，即加共模扼流圈;

3、；將共模電流旁路到地。4.電源去耦：一個電路的各個單元共用同一電源供電，為了防止各單元之間的耦合，需加去耦電路。造成耦合的原因有：數(shù)字電路在電平翻轉(zhuǎn)時的瞬間會有較大的電流，且會在供電線路上產(chǎn)生自感電壓。功率放大電路因電流較大，此電流流過電源的內(nèi)阻和公共地和電源線路時產(chǎn) 生電壓，使得電源電壓有波動。高頻電路電路中有高頻部分因輻射和耦合在電源上產(chǎn)生干擾。應(yīng)設(shè)計(jì)較小的電流回路具有更低輻射。5.接地技術(shù)：數(shù)字和模擬地要采用單點(diǎn)星形連接且靠近電源。6.對于模擬/數(shù)字混合系統(tǒng)，主要措施有抑制地線干擾，總原則是數(shù)字電路與模擬電路分開接地，對微弱模擬量電路實(shí)行全面覆蓋的電磁屏蔽，采用直流隔離措施。7.PCB設(shè)

4、計(jì)：PCB板設(shè)計(jì)的開始階段就是層的設(shè)置，層設(shè)置不合理可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成電磁干擾和自身的EMC問題，所以合理的層布局對電磁兼容性而言是十分重要的。PCB板層由電源層、地線層和信號層組成。層的選擇、層的相對位置以及電源、地平面的分割、PCB板的布線、信號質(zhì)量、接口電路的處理等都對PCB板的EMC指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用,也直接影響到整臺電子產(chǎn)品的電磁兼容性。根據(jù)電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數(shù)量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PCB板的層數(shù)。要滿足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本,適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。對電源層而言,一般通過

5、內(nèi)電層分割能滿足多種電源的需要,但若需要多種電源供電,且互相交錯,則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言,除了考慮信號線的走線密集度外,從EMC的角度,還需要考慮關(guān)鍵信號(如時鐘、復(fù)位信號等)的屏蔽或隔離,以此確定是否增加相應(yīng)層數(shù)。對PCB板進(jìn)行空間分割的目的是為了降低PCB上不同類型的元器件之間互相干擾。空間分割的實(shí)施方法就是對元器件進(jìn)行分組,可以根據(jù)電源電壓高低、數(shù)字器件或模擬器件、高速器件或低速器件以及電流大小等特點(diǎn),對電路板上的不同電氣單元進(jìn)行功能分組,每個功能組的元器件彼此被緊湊地放置在一起以便得到最短的線路長度和最佳的功能特性。高壓、大功率器件時,與低壓、小功率器件應(yīng)

6、保持一定間距,盡量分開布線。3、 選擇一種專用的A/D轉(zhuǎn)換器，介紹其機(jī)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用場合、工作原理、基本工作模式、時序以及微機(jī)數(shù)據(jù)采集接口電路，設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例與問題。答：積分式A/D：ICL7135，它是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，以轉(zhuǎn)換輸出±20000個數(shù)字量，STB選通控制的BCD碼輸出，微機(jī)接口十分方便。特點(diǎn)：ICL7135具有精度高(相當(dāng)于14位A/D轉(zhuǎn)換)，格低的優(yōu)點(diǎn).其轉(zhuǎn)換速度與時鐘頻率相關(guān),每個轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(zhǔn)(調(diào)零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準(zhǔn)電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自校準(zhǔn)時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分

7、直至電壓到零為止(最大不超過20001個脈沖)。故設(shè)計(jì)者可以采用從正向積分開始計(jì)數(shù)脈沖個數(shù),到反向積分為零時停止計(jì)數(shù)。將計(jì)數(shù)的脈沖個數(shù)減10000,即得到對應(yīng)的模擬量。ICL7135為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖1所示：圖1 ICL7135引腳ICL7135引腳功能及含義如下：與供電及電源相關(guān)的引腳(共7腳)：1 -V:ICL7135負(fù)電源引入端,典型值-5V,極限值-9V；2 +V:ICL7135正電源引入端,典型值+5V,極限值+6V；3 DGND:數(shù)字地,ICL7135正,負(fù)電源的低電平基準(zhǔn)；4 REF:參考電壓輸入,REF的地為AGND引腳,典型值1V,輸出數(shù)字量=10000ms；

8、(VIN/VREF)5 AC:模擬地,典型應(yīng)用中,與DGND(數(shù)字地)“一點(diǎn)接地”；6 INHI:模擬輸入正；7 INLO:模擬輸入負(fù),當(dāng)模擬信號輸入為單端對地時,直接與AC相連。與控制和狀態(tài)相關(guān)的引腳 (共12腳)：1 CLKIN:時鐘信號輸入.當(dāng)T=80ms時,fcp=125kHz,對50Hz工頻干擾有較大抑制能力,此時轉(zhuǎn)換速度為3次/s.極限值fcp=1MHz時,轉(zhuǎn)換速度為25次/s；2 REFC+:外接參考電容正,典型值1F；3 REFC-:外接參考電容負(fù)；4 BUFFO:緩沖放大器輸出端,典型外接積分電阻；5 INTO:積分器輸出端,典型外接積分電容；6 AZIN:自校零端；7 LO

9、W: 欠量程信號輸出端,當(dāng)輸入信號小于量程范圍的10%時,該端輸出高電平；8 HIGH:過量程信號輸出端,當(dāng)輸入信號超過計(jì)數(shù)范圍(20001)時,該端輸出高電平；9 STOR:數(shù)據(jù)輸出選通信號(負(fù)脈沖),寬度為時鐘脈沖寬度的一半,每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,該端輸出5個負(fù)脈沖,分別選通由高到低的BCD碼數(shù)據(jù)(5位),該端用于將轉(zhuǎn)換結(jié)果打到并行I/O接口；10 R/H:自動轉(zhuǎn)換/停頓控制輸入.當(dāng)輸入高電平時;每隔40002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉(zhuǎn)換;當(dāng)輸入為低電平時,轉(zhuǎn)換結(jié)束后需輸入一個大于300ns的正脈沖,才能啟動下一次轉(zhuǎn)換；11 POL:極性信號輸出,高電平表示極性為正；12 BUSY:忙信號

10、輸出,高電平有效.正向積分開始時自動變高,反向積分結(jié)束時自動變低。與選通和數(shù)據(jù)輸出相關(guān)的引腳(共9腳)：1 B8B1:BCD碼輸出.B8為高位,對應(yīng)BCD碼；2 D5:萬位選通；3 D4D1:千,百,十,個位選通。時序圖如圖2：圖2 時序圖硬件接口電路：ICL7135僅通過兩根I/O線與AT89C52相接, 僅占用AT89C52的T1、T2兩個計(jì)數(shù)器及外部中斷INT1。圖3 硬件電路圖工作原理：AT89C52的T2計(jì)數(shù)器通過編程設(shè)置工作于方波產(chǎn)生器模式時, P1. 0管腳輸出連續(xù)方波信號。該信號一方面接至ICL7135的時鐘輸入管腳,為ICL7135提供時鐘信號, 另一方面接至AT89C52的

11、T1計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端, 以便對ICL7135時鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)前面的時序分析, 當(dāng)模擬信號Vin接至ICL7135的模擬信號輸入端, 啟動ICL7135進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換時, 1個完整的A/ D轉(zhuǎn)換過程需要經(jīng)歷3個階段:即AZ、SI、RI 階段。只要控制T1 計(jì)數(shù)器僅在ICL7135的管腳為高電平時計(jì)數(shù), 那么T1計(jì)數(shù)器在此段時間里所計(jì)的數(shù)減去10001, 就是模擬信號Vin經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換后所對應(yīng)的數(shù)字碼。BUSY信號接至AT89C52的外部中斷INT1, 通過編程設(shè)置T1計(jì)數(shù)器工作于方式1、對外部脈沖計(jì)數(shù)、設(shè)置GATE使T1計(jì)數(shù)受INT1控制, 就實(shí)現(xiàn)了T1計(jì)數(shù)器僅在ICL7135的管腳

12、為高電平時進(jìn)行計(jì)數(shù)。BUSY信號接至AT89C52的外部中斷INT1的另一個意圖是: 當(dāng)BUSY信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖剿查g, 以中斷形式通知CPU, 以讀出A/ D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼。應(yīng)用實(shí)例：ICL7135與MCS51連接：圖4 ICL7135與MCS51連接設(shè)MCS-51的外接晶振fosc=6MHz,則ALE輸出約為1MHz,將ALE信號輸入CD4040的CLK引腳.CD4040是由12個T型觸發(fā)器組成的串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/分頻器,有12個分頻輸出端,Q1Q12,最大分頻系數(shù)為212=4096,由于CD4040的所有輸入,輸出端都設(shè)有緩沖器,所以有較好的噪聲容限.CD4040的Q2輸出是對AL

13、E進(jìn)行了22=4分頻,故輸入ICL7135的時鐘為1MHz/4=250kHz,可得TCP=1/250ms=0.004ms,由于一次轉(zhuǎn)換最多需(10001+10000+20001)=40002個脈沖,故轉(zhuǎn)換一次需0.004ms*40002160ms,因此ICL7135的轉(zhuǎn)換速度為6.25次/s.選擇這一頻率,以犧牲ICL7135抗工頻干擾為代價,使MCS-51的16位計(jì)數(shù)器能一次計(jì)數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的CP脈沖數(shù)。在滿電壓輸入時,BUSY寬度為正向積分10000個CP脈沖,反向積分20001個CP脈沖(總計(jì)30001個CP脈沖)。4、 自選元器件，設(shè)計(jì)一臺5 1/2位數(shù)字多用表，要求測量：直流電壓、電流

14、、交流電壓、電流、電阻、電感、電容、溫度（20 +150）。答：數(shù)字多用表是目前應(yīng)用最廣泛發(fā)展最快的常規(guī)儀器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對數(shù)字多用表的不確定度和功能要求越來越高特別是現(xiàn)代控制中的自動測試系統(tǒng)逐漸普遍可程控的數(shù)字多用表是各類自動測試系統(tǒng)中必備的部件目前5 1/2位數(shù)字多用表正在逐漸替換4 1/2位數(shù)字多用表的位置5 1/2位數(shù)字多用表市場有很大空間。數(shù)字多用表硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示分為內(nèi)層模擬電路部分和外層數(shù)字電路部分.內(nèi)層模擬電路部分由量程轉(zhuǎn)換及自校準(zhǔn)電路電流電壓 （A/V）轉(zhuǎn)換，頻率信號整形分頻電路，電阻電壓轉(zhuǎn)換，DC/AC緩沖器，量程放大電路，交流真有效值（AC/RMS）轉(zhuǎn)換，模數(shù)

15、轉(zhuǎn)換器，浮置電源等組成，外層數(shù)字部分由SOC單片機(jī)組成的微控制器，鍵盤，顯示器，RS232C組成。1.內(nèi)層電路分析1.1模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換器及其數(shù)學(xué)模型本設(shè)計(jì)中采用了HARRIS公司的 HI7159A模數(shù)轉(zhuǎn)換器HI7159A是內(nèi)含微處理機(jī)，采用多重積分轉(zhuǎn)換，BCD碼輸出的儀表專用芯片。它采用積分轉(zhuǎn)換摸式 ，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。1.2直流量程轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型圖4 電阻電壓轉(zhuǎn)換電路2.外層電路設(shè)計(jì)2.1控制電路圖5 頻率測量前置電路圖6 RS232C通信電路5、 畫出逐次比較式A/D(如ADC0809)、積分式A/D(如ICL7135)、VFC式A/D(如LM331)分別與8031（或其他你所熟

16、悉的）單片機(jī)的接口電路，并寫出A/D轉(zhuǎn)換、軟件流程框圖。答：1.ADC0809與8051接口電路：通道選擇：軟件流程圖：2.ICL7135與8051接口電路：A/D轉(zhuǎn)換時序圖：軟件流程圖：3.LM331與8031接口電路：A/D轉(zhuǎn)換框圖：軟件流程圖：6、 硬件抗干擾措施的目的是盡可能切斷干擾進(jìn)入系統(tǒng)的通道，但由于干擾存在的隨機(jī)性與復(fù)雜性，尤其是在一些惡劣的外部環(huán)境下，盡管采用了硬件抗干擾措施，但并不能將各種干擾完全拒之門外，這是就應(yīng)該發(fā)揮系統(tǒng)軟件編程方面的靈活性，采用各種軟件抗干擾措施，與硬件措施相結(jié)合，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。那么軟件有哪些抗干擾手段？分別應(yīng)用于哪些場合？答：軟件抗干擾主要方法

17、有：開機(jī)自檢、軟件陷阱(進(jìn)行程序“跑飛”檢測)、設(shè)置程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記、輸出端口刷新、輸入多次采樣、軟件“看門狗”等。1.開機(jī)自檢：開機(jī)后首先對單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進(jìn)行相應(yīng)的處理。開機(jī)自檢程序通常包括對RAM、ROM、I/O口狀態(tài)等的檢測。2.軟件陷阱：在程序存儲器中總會有一些區(qū)域未使用，如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計(jì)數(shù)器PC值被錯置，程序跳到這些未用的程序存儲空間，系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令，無條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的

18、程序出錯“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外，還可以在程序段之間(如子程序之間及一段處理程序完成后)及一頁的末尾處插入軟件陷阱，效果會更好。3.程序“跑飛”處理：要進(jìn)行程序“跑飛”處理，就要分清程序“跑飛”所造成的影響，以及程序“跑飛”前運(yùn)行的進(jìn)程，這就需要的設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。就是在程序由軟件陷阱檢測到“跑飛”后，轉(zhuǎn)入“跑飛”處理程序?！芭茱w”處理程序判斷“跑飛”影響的程度，根據(jù)影響程度的不同，決定是報(bào)警復(fù)位還是自動恢復(fù)現(xiàn)場。如自動恢復(fù)現(xiàn)場，則需根據(jù)程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行。具體如何進(jìn)行程序“跑飛”處理，要根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。4.輸出端口刷新：由于單片機(jī)的I/O口很容易受到外部信號的干擾，輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端刷新指令，可以降低干擾對輸出口狀態(tài)的影響。在程序中指定RAM單元存儲輸出口當(dāng)時應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運(yùn)行過程中根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容去刷新I/O口。5.輸入多次采樣：干擾對單片機(jī)的輸入，會造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀。要排除干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。比如對于外部電平采樣(如按鍵)，采取軟件每隔10ms讀一次鍵盤或連續(xù)讀若干次，每次讀出的數(shù)據(jù)都相同或者采取表決的方法確認(rèn)輸入的鍵值。又如在用單穩(wěn)電路檢測溫度的系統(tǒng)中(參電子報(bào)1999年第51期第九版)采取對單穩(wěn)電路的脈沖寬度計(jì)數(shù)，然