1、计算机测量题目设计一个计算机测量系统输入信号：（1）8路应力，输出电压00.2v，信号频率小于1KHZ。（2）4路压力，输出电压05v，信号频率小于2KHZ。（3）2路温度，输出电压00.1v，信号频率小于0.5HZ。系统性能要求：系统测量精度0.25%设计要求：（1）可以是独立系统，也可以为PC机插卡（2）设计系统硬件原理图（3）设计系统软件（包括数据采集软件和上位机软件）（4）编写设计说明报告，内容包括：系统结构描述，元器件选型和性能参数，系统性能分析计算，系统硬件原理图，数据采集软件流程图，上位机软件界面，程序源代码等内容。 一、 系统结构描述根据设计内容和要求，本系统主要是对指定信号进
2、行实时的采集、放大、模数转换、传送给上位机运算显示。因此，本设计将由传感器、数据采集系统和计算机三部分组成。其中传感器完成信号的获取，即就是可把被测参量转换成为相应的模拟可用信号。数据采集系统由模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D、信号调理电路及接口、控制电路组成。鉴于本设计不考虑对环境湿度、振动、电磁干扰等要求，且所测量的三组信号频率范围不高，根据系统设计的基本原则，结合经济性和可行性考虑，本系统采用多通道共享采样/保持器与A/D转换器的方式实现14路信号的转换。系统中14路信号先通过一片16路的模拟多路选择开关，再通过程控放大器放大预定倍数后送入采样保持器，A/D转换器将信号输入
3、转换成数字信号，完成后输入单片机进行处理，最后通过RS232总线送上位机进行运算和显示。本设计系统机构框图如下所示：计 算 机 图一 系统结构框图二、 元器件选型系统测量精度要求达到0.25%，根据选择元件精度的一般规则，每个元件的精度指标应该优于系统的某一最严格的性能指标的10倍左右，即达到0.025%。（一） 模拟多路开关系统中输入通道共有14路，一般情况下我们会考虑到选用两片8通道多路选择器AD7501，但鉴于一片16通道多路选择器在与其效果并无多大差别，而且成本相当。考虑到系统的可靠性和电路的简化性起见，在本次的设计中选取了16通道的AD7506作为模拟多路选择开关。AD7506通过4
4、根地址线，1个使能控制端实现16路通道的切换。8路应变信号依次接至多路开关的S1S8，4路压力信号接至S9S12，而剩余的2路温度信号则接至S13、S14。 图二 AD7506原理图图三 AD7506封装图AD7506参数下：导通电阻RON:400 导通电阻温漂RONVS: 0.5%/开关断开时，开关对地电容：CS:5pF开关断开时，输出端对地电容：COUT:40pF选通信号EN达到50时到开关接通延迟时间tON:1.5s选通信号EN达到50时到开关断开延迟时间tOFF:1s开关切换时间tOPEN：100ns（二） 程控放大器选取程控放大电路分时对14路信号进行放大，以保证采样保持器和A/D转
5、换器的稳定工作。经过放大后的信号在0FSR区间中。FSR为A/D转换器的满量程参考电压。本设计的A/D转换器采用AD578，其满量程电压为10V。故放大倍数如下表所示：表1 程控放大器信号对照表信号类型输入电压范围放大倍数应变信号00.2V50电压信号05V2温度信号00.1V 100这里选取了德州仪器生产的型号为PGA113的零漂移可编程增益放大器。PGA113支持 1、2、5、10、20、50、100以及200等范围增益。增益切换时间为200 ns，增益设置时间为2.55 s，而误差仅为0.01%。在所有器件中，正常工作温度下的DC增益误差为0.1%（G小于或等于32时的最大值）。所有器件
6、均采用具有菊花链功能的标准SPI串行接口。单片机通过SPI接口写入命令字来选择放大增益。G3,G2,G1,G0写入不同值时对应增益如下： 表2 程控放大器增益选择表G3G2G1G0GAIN000120101500110100满功率带宽计算：当G=100时SR最小，SR=3.5us,最大输出电压=10V。计算得完全满足系统要求。图四 FGA113PGA113参数如下：增益切换时间为：200 nsDC增益误差：1G50 0.3%非线性误差：0.0015%失调电压温度系数： （三） 采样/保持器采样/保持器用来对将要进入A/D转换器的模拟信号进行采样和保持，以确保A/D对数据的正确转换。每次数据采样
7、过程都包括一次采样和一次A/D转换。引入采样/保持器后，系统可处理的最高输入信号频率为：tAC ：采样/保持器的捕捉时间tAP ：采样/保持器的最大孔径时间tCONV ：A/D转换器的转换时间本方案中的采样/保持器选取AD582，其tAC 6us，tAP 50ns ，AD578的转换时间tCONV 3us。则本系统可采样最高输入信号频率为：fMAX 110.497KHz，满足设计要求。采样保持器选择AD582，其参数： 信号捕捉时间：6。采样，保持模式时输入阻抗：30M 线性度误差：0.01%；增益温度系数：1510-6/；失调温度系数：；输入偏置电流：1.5（四） A/D转换器A/D转换器是
8、采样通道的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。目前市场上A/D芯片种类很多，性能各异。针对不同的采样对象有不同特性的芯片。本设计主要从系统测量精度、速度和成本三个方面进行选择。因在信号中最高频率为fc=2kHz，由采样定理，单路采样频率fs 2fc =4kHz，取fs =8KHz。系统共14路模拟信号，所以系统采样频率fs =148KHz112KHz，采样时间Ts1/ fs8.9s，所以选择A/D转换器采样时间应小于8.9s。下附一些常用的A/D转换器的常用参数：表3 常用A/D转换器参数芯片型号位数转换时间模拟输入范围工作电压说明ADC08098100us05V 5V逐次
9、逼近ADC121110100us05V +5V+5+15V逐次逼近ADC12101230us05V +5V+5+15V逐次逼近AD578123us010V +5V+5V +12V逐次逼近ADC114316100us+5V +15V带采样/保持因此在这里选取AD578，12位，转换时间3，转换误差3LSB/4，输入范围单极性的010v，逐次逼近式的A/D转换器 。精度都应该不大于0.02%。符合系统性能要求。 图五 A/D578封装图A/D578参数：量化误差：1/2LSB=0.012%；线性度误差：1/2LSB=0.012%；增益温度系数：(1530)10-6/；失调温度系数：810-6/；电
10、压灵敏度：0.002%。输入模拟电压范围010V（五） 单片机的选择80C51是一种低功耗、高性能、高密度的CMOS 8位微控制器，具有4K在系统可编程存储器，造价低廉功能完全能够满足本系统设计要求。综上所述，系统的硬件原理图应该为：图六 系统硬件原理图三、 系统误差和性能分析（一） 多路模拟开关误差开关导通电阻和程序放大器输入电阻的比值，决定了开关导通电阻上输入信号压降所占比例，放大器输入电阻达到10000M即设信号源内阻为10，则多路模拟开关AD7506的16路开关截止电流在信号内阻上的压降为：鉴于误差较小，基本可以忽略不计。（二） 采样保持器AD582的误差：线性度误差：0.01%；输入
11、偏置电流在开关导通电阻和信号源内阻上所产生的压降为： （三） AD578转换器的误差量化误差： =0.012%线性度误差： =0.012%滤波器的混叠误差取为0.01%，按方和根式得到A/D转换器，采样/保持器和多路开关的综合误差：（四） 可编程增益放大器PGA113的误差1)PGA113的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度系数为：，则最大温度误差（环境温度变化为）是： 2）PGA113的增益为100时 ，最大线性误差为0.03%3) PGA113的非线形度为由方和根综合所有误差的到PGA113的总误差为：系统的总误差为：程控放大器在增益大于50时非线性误差达到0.3%，不符合单个器件的
12、选型原则，但是系统中器件数较少，误差来源主要为程控放大器的非线性误差，经计算总误差没有超过给定指标，仍然采用该程控放大器。（五） 速度分析输入信号的最高频率为2kHz。由Nyquist采样定理，采样频率应该大于等于信号频率的两倍。本方案中的采样/保持器和A/D时间为tAC 6us，tAP 50ns ，转换时间tCONV3us，对采样系统，速率主要包括A/D转换时间tCONV和采样/保持器的捕捉时间tAC，MUX切换时间，放大器设置时间，信号调理时间，接口电路时间。这些时间有些可以并行，如和，取决于设计。所以全部通道完成一次转换所需最大时间为：则取周期，输入信号最大频率为2kHz则采样频率则满足
13、采样定理。四、 数据采集软件流程图（一） 下位机主程序图七 下位机主程序（二） 上位机主程序：图八 上位机主程序五、 上位机软件界面上位机为计算机，所用的编程软件为Visual Basic 6.0，以下界面是由此软件完成，由于时间有限，界面略显粗糙。图九 上位机软件界面六、 程序源代码Private Sub Form_Load() Dim inbyte() As Byte Dim buffer(29) As Byte MSComm1.CommPort = 1 串口初始化 MSComm1.Settings = 9600,n,8,1 MSComm1.PortOpen = True MSComm1.
14、InputMode = comInputModeBinary MSComm1.RThreshold = 30Errline: If Err.Number 0 Then MsgBox CStr(Err.Number) + + Err.Description, vbOKOnly + vbInformation, 提示信息！ 错误提示 End IfErr.Clear 清除错误End SubPrivate Sub MSComm1_OnComm() Dim i As Integer Select Case MSComm1.CommEvent Case comEvReceive buffer(29) =
15、MSComm1.Input While (buffer(0) = $) 判断是否开始 For i = 1 To 8 Text3(i) = (buffer(2 * i - 1) * 2 8 + buffer(2 * i) * a 处理8路应力数据并显示 End For i = 9 To 12 Text3(i) = (buffer(2 * i - 1) * 2 8 + buffer(2 * i) * b 处理4路压力数据并显示 End For i = 13 To 14 Text3(i) = (buffer(2 * i - 1) * 2 8 + buffer(2 * i) * c 处理2路温度数据并显示 End End End SelectEnd SubPrivate Sub Form_Unload(Cancel As Integer) If MSComm1.PortOpen = True Then 退出时关闭串口 MSComm1.PortOpen = False End IfEnd Sub
