多路信號采集板卡硬件電路設(shè)計

多路信號采集板卡硬件電路設(shè)計多路信號采集板卡硬件電路設(shè)計題的背景是指現(xiàn)場采集來度和角度等信號，此外還包括智能化儀器儀表、信號處理和測量與控制問題，即將溫轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再收集到微傳輸，這個過程即稱“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號采集系統(tǒng)在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)要組成部分。因此選擇基于單。智能化程度高，且易于更新升級，靈活性強，但是要求的提高，無疑使測試成本也大幅增長。顯然，對于一不必付出這樣的耗費?？紤]單片機的特性，由于它可以提AD(溫度、壓力、流量)輸入采樣系統(tǒng)，而可比擬的價格性能比，無疑為儀器儀表的智能化提供了可題擬在設(shè)計一種多路信號采集設(shè)備，這點與時下國際流行而合，因此它不僅是單片機在智能儀器儀表領(lǐng)域應(yīng)用的又一與總體價格的優(yōu)越性又使它具有實用價值。環(huán)境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或傳感器太多布線復雜，我們就會選用分布式或者遠程的采集卡(模塊)在現(xiàn)場把信號較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠傳絡(luò))把數(shù)據(jù)傳到計算機或者其他控USBPCI見的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)的測量集系統(tǒng)，其主要的測過程可以對數(shù)據(jù)進和儀器儀表同計算機之間的連接問題，這樣就形成了以程控的儀表按積木方式組合成成套裝置。這種檢測系統(tǒng)且還在不斷的完善和發(fā)展。微型計算機的誕生，使測試目前正在發(fā)展的以微處理器為基礎(chǔ)的智能儀表和檢測系動檢測系統(tǒng)。這種智能化檢測系統(tǒng)的突出特點是把微處構(gòu)成一個整體，其特點是許多儀表中的硬件功能可以由以對電壓、電流、壓力、溫度等物理量進行直接采樣和率得到成倍增長，測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果能自動打印，克的誤差，最終使系統(tǒng)的可靠性和測試精度及測試效率大故障診斷功能、記錄顯示功能、量檢測系統(tǒng)的自動化水平及智能化程度大大提高。對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采低成本提供信息和手段。在科量的動態(tài)信息，是研究瞬間物的重要手段之一?？傊徽摷皶r，工作效率就越高，取得多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認為是非電量(其實本質(zhì)上還采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最防監(jiān)控、教育課件錄制、大屏、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機器1)確保性能指標的完全實現(xiàn)樣速是模擬量還是數(shù)字量、信號的強弱及動態(tài)范圍、信號的輸入方式(單端輸入還是差動輸入，單極性還是雙極性，信號源接地還是浮地等)、是周期信號還是瞬態(tài)2)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理選擇硬件數(shù)據(jù)的輸出形式(串行還是并行)、數(shù)據(jù)的編碼格式等。3)對于較大型的應(yīng)用軟件，應(yīng)參考軟件工程學的方法進行設(shè)計。4)安全可靠，有足夠的抗干擾能力。硬件設(shè)計的基本原則低價價格比，這是硬件設(shè)計中優(yōu)先考慮的一個主要因素。因為要的成本便集中在硬件方面，當然也成為產(chǎn)品爭取市場關(guān)2)安全性和可靠性力、振動、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的護，保證輸人、輸3)較強抗干擾能力作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條以及經(jīng)驗給出解決問同測作用件的配比問題得到了重視，較多的使用硬件D/A輸出電路、串口電路、程序下載電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、日歷時鐘路和串口通訊等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。本系統(tǒng)執(zhí)行的過程如下：傳感器把采集的非電量信號轉(zhuǎn)換成電壓(0-5V)或電流(4-20mA)ADPCPC機信號處串行通信時鐘電路D/A輸線性隔離液晶顯示數(shù)碼管顯示CPU處PWM輸信號調(diào)整電路光電隔離驅(qū)動電路傳感器采集號信號放大電開關(guān)量信號鍵盤電路A/D轉(zhuǎn)I/O口(C8051F020/2)或32位數(shù)字I/O口(C8051F021/3)。在本系統(tǒng)中，選擇系統(tǒng)控制的核心控制單元。之所以選擇該款單片機，是因為第一、二代單片機芯片構(gòu)成控制系統(tǒng)時，由于片內(nèi)存儲器品種單一、容量有限，常需要通過外部存儲器芯片以及隨機讀寫靜態(tài)存儲器芯片來擴展存儲器的容量。此外，為了擴展靜態(tài)增加地址鎖存器芯片，用以鎖存地址/數(shù)據(jù)分時復用引腳特點：1)指令運行速度高大提期。2)I/O端口功能采用軟件配置實現(xiàn)O3)時鐘系統(tǒng)更加完美發(fā)生器，在復位后被默認為系統(tǒng)時鐘，其時鐘振蕩頻率是可編程的，還可同時選4)可實現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試腳及相MCU真器要使用在板仿真芯片和目標電纜，還需要在應(yīng)用板上有MCU的插占用片內(nèi)資源)、實時在系統(tǒng)仿真調(diào)試。在調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全5)多種復位方式6)進一步降低了系統(tǒng)功耗MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用度范圍(-45C到+85C)內(nèi)用的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許使用發(fā)光二極管或數(shù)碼管顯示，由于顯示信息單調(diào)而有被液晶顯示器取代的趨集系統(tǒng)中，特別是長時間無人職守的測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄某對測采樣了很大的方便，可廣泛應(yīng)用于長時間連續(xù)的測控系統(tǒng)中。選擇作為信號采集卡需要有許多數(shù)據(jù)(如時鐘顯示的時間，電壓、電流、機車功率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)是變動的或可以通過正常手段修改的，但不能因系統(tǒng)中的干B列單片機采用流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期兩種可軟件編程的電源管理方式------空閑方式(等待方式)和停機方式 (掉電方式)；壓；；于應(yīng)用。2)中斷系統(tǒng)3)存儲器據(jù)RAM，還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4KB的RAM存儲區(qū)。4)模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)張塊CAD都配了可以用軟件改變放大倍數(shù)的可編程增益放大5)并行接口6)串行接口7)定時器和可編程計數(shù)器陣列鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為~。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能DS2存在時鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)時鐘混亂等缺點。DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)采集系統(tǒng)結(jié)果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是記錄其出現(xiàn)的時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資決這個問題，時鐘電路如圖所示。線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功復位電路復位電路允許很容易地將控制器置于一個預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進入復位狀態(tài)2)特殊功能寄存器(SFR)被初始化為所定義的復位值；3)外部端口引腳被置于一個已知狀態(tài)；4)中斷和定時器被禁止。數(shù)據(jù)保持不I/O端口鎖存器的復位值為0xFF(全部為邏輯‘1’)，內(nèi)部弱上拉有效，使外復位狀態(tài)后的四個系統(tǒng)時鐘之內(nèi)。注意：在復位期間弱上拉是被禁止的，在器件退出復位狀態(tài)時弱上拉被使能。這就使得在器件保持在復位狀態(tài)期間可以節(jié)省功在退出復位狀態(tài)時，程序計數(shù)器(PC)被復位，MCU使用內(nèi)部振蕩器運行在所示。以保護K2的觸點。機，在本系統(tǒng)的模擬輸入和沖擊信號進入單片機的接口電路。在接口電路中采用大電路過各自相應(yīng)的傳制碼數(shù)字供給單片機的中央處理單元進行數(shù)字和邏輯運算，電壓比例調(diào)整電路如圖所示。圖電壓比例調(diào)整與單片機接口電路AD轉(zhuǎn)換電路別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像，要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。DA路數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用的C8051F020主芯片有兩個片內(nèi)12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 DAC輸出電路如圖所示，每個DAC的輸出擺幅均為0V到(VREF-1LSB)， DDDD1通過驅(qū)動電流If電源(VCC)是整個開發(fā)板正常工作的動力源泉。電源電壓過大會大大縮短組成了128(列)×64(行)的全點陣液晶顯示。它的主要特性有以下幾點：1)工作電壓為+5V，可自帶驅(qū)動LCD所需的負電壓。2)全屏幕點陣，點陣數(shù)是128(列)×64(行)個(16×16點陣)漢字，也可3)與CPU接口采用5條位控制總線和8位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出。4)內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器。5)簡單的操作指令顯示開關(guān)設(shè)置，顯示起始行設(shè)置，地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/VDDVLCDE1234567890~-10VH/LH/LH/LH/L示示LEDELH/LH/LH/L，另一種塊與單片機的間接接口電路如圖所示。圖液晶顯示接口電路最為位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的O鍵盤電路其與單片機接口電路如圖所示。當用手按下一個鍵時，往往會出現(xiàn)所按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況，在釋放一個鍵時，也會出現(xiàn)類似的情況。這就是鍵抖動，抖動時間持續(xù)不一，與開關(guān)的機械特性有關(guān)，通片機執(zhí)行每條指令的時間很短，在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一控制的應(yīng)用，片選地址輸入引腳必須在器件能夠繼續(xù)正常工作之前驅(qū)動為邏輯‘0’2)串行數(shù)據(jù)(SDA)引腳串行數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，用于把地址和數(shù)據(jù)輸入/Hz3)串行時鐘(SCL)該輸入引腳用于數(shù)據(jù)傳輸同步。4)寫保護(WP)引腳該引腳必須連接到VSS或者VCC。如果連接到VSS，5)電源輸入(VCC)引腳標稱條件下，如果VCC低于，則VCC閾值檢測RS-232C標準時美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)與BELL等公司一起開發(fā)的1969MAX芯片，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232C標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)IMCU的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省K離作用，輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，-40C~85C，光電隔離部分電路模塊如圖所示。與源極之間電壓VGS=±20V，漏極電流ID=23A(TC=100C)或ID=33A(TC=55C，器件響應(yīng)快，工作范圍廣(工作環(huán)境溫度從室溫到100C)，功率大，滿足輸出電JTAG調(diào)試電路MCUJTAG邏輯，提供生產(chǎn)和在系統(tǒng)測試所需要的JTAG在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、實時在系統(tǒng)仿真調(diào)試。在調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外TDO。通過16位JTAG指令寄存器(IR)可以發(fā)出8種指令，MCU中有三個與硬件抗干擾技術(shù)來源就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成。溫度控制系統(tǒng)控制器的干擾來源主要有三條途徑：電磁感應(yīng)、傳輸通線。其中電磁感應(yīng)干擾來源比較復雜，但在一般情況下，其干擾的強度從傳輸通道和電源線上進入的干擾。對于電磁干擾可用屏蔽和正確的接另兩線的干擾對于系統(tǒng)而言從電氣性能上分為串模干擾和共模干信號有時長達一兩百米，干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用在長信號線上往往存在著一定的電位差對于輸入通道上的兩根引線均存在對某一基準的引入的，電源干擾一生的間，導線與導線之間，導線與組件之間都存在著分部電容。如果某一導體上的信號電壓(或噪聲電壓)通過分布電容使其它導本系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)主要進行了以下幾方面的設(shè)計：1)對于電源接口采用隔離技術(shù)。電源電壓波動引起的干擾是控制器的一個干由于電源電壓波動對其它電路產(chǎn)生干擾，控制器的電源選用開2)濾波與緩沖技術(shù)。本文在所有芯片的電源引腳上都加接普通電容濾波，在一級電路，這樣可以使信號傳輸3)數(shù)字電路和模擬電路分開。數(shù)字電路與模擬電路分開的原因是數(shù)字信號與，信號變化的快慢不一樣，數(shù)字信號變化快，模擬信號路等，這些電路直接與現(xiàn)場環(huán)境相連，會引入一定的干4)妥善接地。接地技術(shù)是抗干擾技術(shù)中一個非常重要的組成部分。本文的地模擬電路地以及功率電路地。設(shè)計時采取數(shù)字電路地量小。電路設(shè)計中將大功率發(fā)熱器件(如開關(guān)電源、功率管等器件)遠離敏感組計中盡可能減少過孔的使用遲，而且在一定程度上破壞了信號線6)加強組件的可靠性。選擇高可靠性的元器件，在對電路參數(shù)計算時，留出焊接時對于焊錫做到既光滑又飽滿，保證焊接引腳與電路防止虛焊；并且注意大器件的安裝定位以防止大器件松B理論的東西無論講解的多詳細，指導的多全面，也不及實物擺放出來更具說服部分引線盡量寬，甚至要加焊錫條，高壓元件應(yīng)該有足夠的間距保證安全，在這到一起，防止出現(xiàn)共地干擾。對于數(shù)字電路來說，時鐘晶振應(yīng)該盡量靠近單片機中，在放置元件時應(yīng)遵守先放置單元電路中的主要元件，一般是集成電路或體積對其它電路影響盡量小，引線盡量短的原則。1)本系統(tǒng)從原理圖到PCB的設(shè)計流程：建立組件參數(shù)→輸入原理網(wǎng)表→設(shè)計輸出。2)參數(shù)設(shè)置相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當?shù)丶哟?，對高、低電平懸殊的信號線應(yīng)盡可能地短且加l且走線很4)設(shè)計布線圖時走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導線拐角應(yīng)≥從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如果電路。5)檢查布線設(shè)計完成后，需認真檢查布線設(shè)計是否符合開始所制定的規(guī)則，方。6)復查根據(jù)“PCB檢查表”，內(nèi)容包括設(shè)計規(guī)則，層定義、線寬、間距、焊時鐘網(wǎng)絡(luò)的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。7)封閉的物理邊框?qū)σ院蟮脑季?、走線來說是個基本平臺，也對自動布題麻煩可就大了。還有就是拐角地方最好用圓弧，一1)模擬地線寬度較寬，因其通過電流較大，同時減小干擾。2)線間距設(shè)置較大，主要考慮到設(shè)計好的PCB板要手工腐蝕和打孔，精度沒3)布線拐角設(shè)置成45度，主要是為了防止過度腐蝕或腐蝕不夠情況出現(xiàn)，4)過孔和焊盤都比默認值大，主要是考慮到焊盤過小在手工制作PCB電路板5)設(shè)計為雙層板，這種電路板的兩面都有布線，不過要用上兩面的導線，板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯(可以