单片机基础及应用数据采集设计

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：数据采集是系统的核心，直接影响系统的测量精度、分辨率、输入阻抗、速度、抗干扰能力等主要指标。图10－2模拟量采集通道结构示意图1）传感器。A／D转换器是模拟量信号采集的核心器件，主要完成模拟量到数字量的转换，其器件的重要技术指标可详细参考A／D转换器的数据手册。设计时应注意如下几点：①数据采集部分与现场被采对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。

数据采集是系统的核心，直接影响系统的测量精度、分辨率、输入阻抗、速度、抗干扰能力等主要指标。虽然来自现场的信息多种多样，但按物理量的特征可分为模拟量和数字量（开关量）两种。

1．数字量的采集

对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I／O接口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及计数测量。对于开关量的采集，一般通过I／O接口线或扩展I／O接口线直接输入。

在数字量和开关量的采集通道中，一般要对其信号进行整形，并用隔离器件进行隔离（如光电耦合元器件）后输入，以提高系统的可靠性和抗干扰能力。

2．模拟量的采集

模拟量采集电路一般包括传感器、隔离放大、滤波、采样保持器、多路转换开关、A／D转换器及其接口电路，把不同的模拟信号（电压、电流、频率、相位、脉宽）转换成数字信号，如图10－2所示。

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图10－2　模拟量采集通道结构示意图(www.chuimin.cn)

1）传感器。主要完成现场各种信号的采集并转换成电信号。现场信号主要有两大类信号：电信号，如电压、电流、电磁量等；非电信号，如温度、压力、流量、位移等。对不同的物理量应选择相应的传感器。

2）隔离放大。传感器的输出信号一般比较微弱，不能满足一般单片机应用系统的输入要求，因此信号需要进行放大。另外，要提高系统的可靠性和抗干扰性，需要增加隔离单元。

3）滤波。信号来自于工业现场，必定夹杂着各种噪声干扰。为了降低干扰，很有必要加入滤波环节，削弱干扰信号对有效信号的影响。

4）采样保持器。增加采样保持器的作用，主要在于两点：一是实现多路模拟信号的同时采集；二是消除A／D转换器的“孔径误差”。

5）多路转换开关。在单片机应用系统中对信号采集的实时性要求不是特别高的情况下，利用多路转换开关实现一个A／D转换器分时对多路模拟信号进行转换，降低系统硬件的成本。

6）A／D转换器。A／D转换器是模拟量信号采集的核心器件，主要完成模拟量到数字量的转换，其器件的重要技术指标可详细参考A／D转换器的数据手册。

设计时应注意如下几点：①数据采集部分与现场被采对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。②所采集的对象不同，有开关量、模拟量和数字量，而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故要有大量的、形式多样的信号变换调理电路，如测量放大器、I／F变换、A／D转换、放大、整形电路等。③对各单元电路进行误差分配后，再选电路和器件。④对滤波、标度变换等用软件实现，并采取程控放大、零点和增益校正、非线性校正等措施。⑤采集电路功耗小，一般没有功率驱动要求。

单片机基础及应用数据采集设计

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