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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,附录,.2,数据采集系统设计,在掌握数据采集系统各部分工作原理的基础上，本节将讨论数据采集系统的设计问题。,一、系统设计的基本原则,虽然不同的采集对象，系统设计的具体要求有所不同。总体上讲，数据采集系统是由硬件和软件组成的，因而系统设计的基本原则是相同的。,1,、硬件设计的基本原则,1,）经济性：系统硬件设计中，在满足性能指标的前提下，尽可能降低价格，提高性能价格比。这是硬件设计中首先考虑的因素。充分发挥硬件系统的性能是应遵循的一个基本原则。,1,2,）可靠性：考虑到数据采集系统对温度、,湿度、压力、振动、粉尘等工作环境因素的要求，应确保在规定的工作环境下，系统性能稳定、安全可靠。确保系统安全可靠地工作是硬件设计应遵循的一个根本原则。,3,）抗干扰：完善的抗干扰措施，如强电和弱电的隔离、对电磁干扰的屏蔽等，是保证数据采集系统正常、精确、无误工作的必要条件，也是一个重要原则。,2,、软件设计原则,1,）结构合理：无论采用什么样的结构，如模块结构、面向对象结构等，设计必须合理，也就是说，既要有利于程序的修改和维护，也要考虑到未来的扩展。,2,2,）代码优化：编写的程序代码可阅读性要好，速度要快，代码尽可能优化，优化的代码有利于提高程序的执行速度，尤其是对速度有要求的系统。,3,）保护到位：具备实用性的程序应有良好的抗干扰能力，能够及时、准确处理异常事件，通过相应的措施确保程序处在正常运行状态。,4,）操作简单：方便使用对数据采集系统是很重要的。在程序开发时，就应考虑降低对操作人员专业知识的要求，目前普遍采用图形化操作界面，以提供程序的可使用性。,5,）文档齐全：整理出技术设计文档、使用文档、维护文档，以便作为开发资料保存和用户操作、维护指南使用。,3,二、系统设计的一般步骤,数据采集系统的设计随采集对象、设备种类、采样方式等有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤大体相同，一般有以下几步。,1,、需求分析,在系统设计之前，要对解决的问题深入研究、分析论证，根据具体要求，确定系统要完成的数据采集任务和要达到的技术指标，初步确定出技术路线。,2,、确定采样周期,采样周期,T,S,决定采样数据的质量和数量。,T,S,太小，采样数据量增加，占用内存量大，严重时将影响计算机的正常运行；,T,S,太大，采样数据量减小，会丢失摸拟信号的某些信息，恢复原信号失真。必须按采样定理确定采样周期。,4,3,、总体设计,软硬件功能分配,数据采集系统由软硬件组成，某些功能既可用硬件实现，又可用软件实现，要合理进行分配。硬件速度快，而软件灵活。,A/D,通道方案确定,确定,A/D,通道方案是总体设计的重要内容，其实质是选择满足要求的芯片及相应的电路结构形式。例如：,模拟信号输入范围、被采样信号的分辨率、一次转换时间,模拟信号是否需要滤波、信号最高频率、所需通道数,多通道切换率是多少、采样时间是多少、精度是多少,各个通道的模拟信号采集是否要求同步、传输速率是否相同,系统电源稳定性的要求等其它需要考虑的相关因素,根据上述要求，选择满足性能指标要求、切性能好的芯片，确定系统,A/D,通道方案。,5,微型计算机配置方案确定,数据采集系统选择何种计算机，对整个系统的性能、成本等均有重要影响，力求提高系统的性能价格比。,操作面板设计,数据采集系统通常需要一个供操作人员使用的面板，用来进行人际对话或某些控制操作。例如，显示和打印参数、工作方式选择、启停控制等。为此，面板上需要设计数字键、功能键、开关、显示器或打印机等。,抗干扰设计,数据采集系统抗干扰能力要求一般比较高，抗干扰设计贯穿于系统设计的全过程，因此需要在系统总体设计阶段给予全面考虑。,6,4,、软硬件设计,在系统总体方案设计完成后，便可同时进行硬件和软件设计。,1,）硬件设计,明确硬件设计任务。为了设计工作顺利进行，避免造成大的返工，在硬件正式设计之前，详细制定设计指标和要求，对硬件个部分之间的控制关系、时间关系作出明确规定。,绘制出逻辑图、电路图。后续试验和调试过程还需不断地对电路图进行修改，优化和完善。,制作电路板。按电路图在实验板上进行调试，排除错误，并进一步完善设计。调试好之后，再设计成正式的,PCB,板。,硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心的，设计出与其相,配套的电路，形成硬件系统。,7,2,）软件设计,软件设计是系统设计的重要任务之一。软件设计的一般过程为,。,明确软件设计任务。首先明确设计任务，再把设计任务逐步细化，遵循软件工程“自顶向下”的原则。,按功能划分模块、绘制流程图。按小任务组织成若干程序模块或对象，绘制出内部逻辑关系流程图。,用所选择的程序设计语言编制程序。,调试程序。程序调试是程序设计的重要步骤，所花费的时间比较多，是知识与技能的综合体现。,5,、系统联调,系统联调分两步，实验验证和现场验证，最终达到正常运行。,8,三、,A/D,通道的确定,A/D,通道的选择和系统通道的确定是系统设计必须的步骤。,1,、系统,A/D,通道芯片的选择,模拟多路开关的选择,多路开关是多个模拟信号分时切换的器件，主要参数是精度和速度。精度以传输误差的大小来间接表示，速度以通过率来间接表示。所谓通过率是指单位时间内能够有效切换的通道数。为了避免两个通道同时接通，多路开关设计为先断后通，通断之间存在一定的延时。在确定多路开关通过率时，要考虑系统的采样速率。,9,采样,/,保持器的选择,采样,/,保持器的选择也是以速度和精度作为主要因素的，一般优先考虑集成产品。集成采样,/,保持器大都需要外接保持电容，其质量直接关系到采样,/,保持器的精度，须慎重选择。,除考虑时间和速度外，还需考虑一下问题：,1,）输入信号的动态范围，即量程。,2,）采样,/,保持器进入保持状态时，允许的孔径抖动是多大？例如，孔径抖动,5ns,，假设信号最大变化率,1V/,s,，则保持电压的不确定值为,1V/,s5ns=5mV,，这是可能产生的误差。,3,）保持时间要多长和允许多大电压降，是选择保持电容容量的主要依据。,4,）对电源的波动有什么要求。,10,A/D,转换器的选择,A/D,转换器是数据采集系统的关键部件，要根据系统的采集对象来选择选择,A/D,转换器，主要也是速度和精度的要求。另外，,A/D,转换器的分辨率也是一个需要考虑的参数，会影响到系统的量化精度。,例如，对半导体扩散炉的温度控制。要求测量精度,0.1,，对应热电偶输出变动值约几微伏。扩散炉由市电降压经可控硅整流器加热炉丝。达到上述要求,，,选何种,A/D,转换器？,分析：信号传输中有电磁干扰，环境较恶劣。炉体温度变化不会很快，采样速率达到每秒几次就够了。价格因素需要考虑。选择积分型,A/D,转换器比较合适。因为积分型,A/D,转换器性价比较佳，能在电磁噪声环境下保持精度，而且某些产品还有自动校零能力。,11,2,、系统通道方案的确定,在数据采集中，经常要采集多个模拟信号，而且采集要求各不相同。例如，有些模拟信号之间没有严格的对应关系，分别采集就行；而有些模拟信号之间还有相位要求，对这类模拟信号则必须同时采集。总之，设计需要从实际要求出发。,不带采样,/,保持器的,A/D,通道,对于直流或低频信号，可以不用采样,/,保持器，直接用,A/D,转换器采样。模拟输入信号的最大变化率与,A/D,转换器的转换速率满足：,n,：,A/D,转换器位数,t,CONV,：,A/D,转换器转换时间,FSR,：,A/D,转换器满量程电压,12,带采样,/,保持器的,A/D,转换通道,当模拟输入信号变化率较大时，,A/D,通道需使用采样,/,保持器。此时，模拟信号的最大变化率取决于采样,/,保持器的孔径时间,t,AP,，其模拟信号的最大变化率为,如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性，即孔径不定,t,AP,：,带采样,/,保持器的,A/D,转换通道有三种基本形式。,13,多通道共享采样,/,保持,器和,A/D,转换器,特点：分时采集。,多通道共享,A/D,转换器,特点：可采集多路模拟信号同一瞬间的值。,多通道并行,A/D,转换,特点：可并行采集，用于高速采集系统。,14,
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