ELATII型实验箱数据采样与传输系统设计与实现
ELATII型实验箱数据采样与传输系统设计与实现[20191215171420]
摘 要
EL-AT-II自动控制原理实验箱已使用多年，已无法与计算机通信，上位机软件在新的操作系统下无法运行，需对实验箱进行升级改造。实验箱升级改造涉及多个技术领域。另外，高速数据采集与传输系统在实际生产过程中有着非常广泛的实际应用。数据采集与传输系统可以实时的采集、监视和记录生产流水线的工艺参数，并进行及时的科学分析和智能反馈，为提高生产产品质量，降低生产成本提供了信息和手段。
本文提出了一种以单片机为处理核心的低成本高速数据采集系统设计方案。首先，系统以高速系统级芯片（SOC）C8051F340为核心，外部辅助以运放模块（LM324）和DA模块（DAC0832），实现高速的数据采样与传输。系统运用模块化设计方法，将硬件分为运放、AD/DA、串口/USB等不同模块。其中，系统成功运用了完全符合USB2.0协议的USB模块，更加符合时代需求。在软件设计与系统调试方面，选用功能丰富的KEIL 编译环境，出色的C语言软件编程，分模块化各个击破，成功实现软硬件设计的无缝结合，完全满足设计需求。文章最后对所做的工作进行了总结和展望。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字C8051F340；AD；数据采集；SOC
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2发展和现状 2
1.3本文内容 3
第二章 系统方案设计 4
2.1系统方案选择 4
2.2 系统框图 6
2.3 本章小结 6
第三章 模块电路设计 7
3.1信号运放模块设计 7
3.2高速A/D模块设计 9
3.3高速D/A模块设计 12
3.4串口模块设计 14
3.5 USB模块设计 16
3.6 原理图及PCB设计 21
3.7 本章小结 25
第四章 软件设计 26
4.1 时钟初始化和I/O初始化 26
4.2 内部高速A/D模块初始化 28
4.3 串口模块初始化设计 28
4.4 USB模块初始化设计 29
4.5 本章小结 30
第五章 系统调试 31
5.1 MCU系统调试 31
5.2 串口及高速USB模块调试 34
5.3 DAC0832模块和高速内部A/D调试 38
5.4 本章小结 38
第六章 总结与展望 39
6.1 总结 39
6.2 展望 39
参考文献 40
致 谢 42
附图、附录 43
英文原文 44
英文翻译 51
第一章 绪论
1.1 课题研究的意义
随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。这就为我们的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理。
AD的转换速度进一步的提升，对工业总线的传输速率提出了更高的要求。以RS232和RS485为代表传统的总线传输方式传输速率慢、抗干扰能力差，很大程度上制约了工业数字化技术的发展。因此寻求一种高速、安全、方便的总线技术就显得尤为重要。
虽然USB技术出现时间并不长，但由于它高速、安全、方便的优点被越来越多的厂商和用户所接受，形成了电脑周边的外设和数码产品必备USB接口的局面。因此USB进入工控领域是必然趋势。基于USB的数据传输技术具有传输速度快、数据丢失率低、可靠性高、抗干扰能力强以及便于数据的处理和存储的优点，可以广泛应用与工控领域的信号采集。
基于单片机的采集系统有着频率高，编程简单、内部存储容量大等优点，适应于高速数据采集的场合。比如在某些高振荡、高冲击场合下，需要对冲击过程的加速度数据进行回收，包括实时采集、存储以及事后回读分析。在这样的环境下，要求数据回收系统具有采集的高速、实时性；存储的及时、正确性。基于单片机的采集系统可以大大减化外围控制电路，编程易修改，适应性强，二次扩展简单，使系统更加简洁、适应性更强。
所以针对本课题的研究可以很好的解决制约工业领域数字化发展的数据采集、数据传输的问题，可以在一定程度上推进工业领域的数字化建设，直接或间接创造经济效益。因此对本课题的研究具有一定的现实意义和经济意义。
1.2发展和现状
在数字技术日新月异的今天，数据采集技术的重要性是十分显著的。它是数字世界和外部物理世界连接的桥梁。而随着现代工业和科学技术的发展，对数据采集技术的要求日益提高，在雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、信号测试等科研实践领域中，都需要高精度，高数据率的数据采集系统。它的关键技术为高速高精度的ADC技术，高数据率的存储和缓存技术以及系统高可靠性保证等。
通过数据采集技术，科研人员在实验现场可以根据需要实时记录原始数据，用于实验室后期的分析和处理，对工程实践和理论分析探索具有重大意义。正是由于目前数据采集技术广泛应用在科研实践和工业生产中的各个领域，当前国外对采集技术的研究和发展比较成熟。按通道数分有单通道的、双通道的、多通道的(多达上百通道)；按采样率分可从几kHz到高达几个GHz；按分辨率分有8位、10位、12位、14位还有16位。在一些高端的示波器，频谱仪等测试仪器中，其采样率可达几个GHz，甚至几十个GHz。而国内由于发展时间短，芯片技术等一些方面的限制，目前没有高水平的采集器出现。现在从高校到研究所到公司对采集器的需求越来越多，性能要求也越来越高。这种情况给我们研发和设计高速数据采集系统提供了很多机遇。
随着现代工业和科学技术的发展，数据传输技术也在快速发展，目前，较常用的是串口通信、USB技术等方式。串口即串行接口，是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输 线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。串行通讯 的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。串口通信 的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。
USB，是英文Universal?Serial?Bus（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线 标准，用于规范电脑与外部设备 的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术 。USB接口支持设备的即插即用 和热插拔 功能。USB用一个4针（USB3.0标准为9针）插头作为标准插头，采用菊花链 形式可以把所有的外设 连接起来，最多可以连接 127个外部设备 ，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统 和外设三个方面的支持才能工作。USB具有传输速度快（USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps,USB3.0 是5 Gbps），使用方便，支持热插拔 ，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标 、键盘 、打印机 、扫描仪 、摄像头 、闪存盘、MP3机、手机 、数码相机 、移动硬盘 、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。
与国外相比，国内的USB数据采集技术仍然比较落后，在一些采集数据量大、实时性要求高的场合依旧以国外的产品为主导。随着USB接口技术的进一步普及和发展，结合工业领域对于数据采集技术的要求不断提升，有必要开展对基于USB的数据采集技术的研究。高性能、高可靠性的先进数据采集设备的国产化研究已经成为了亟待解决的现实问题。
1.3本文内容
本章主要介绍了课题研究的迫切意义，并对高速数据的采集/传输技术的发展及现状进行了简单的介绍。在第二章中，本文提出来系统设计方案，以C8051F340单片机为核心，结合外部运算放大器模块、外部DA模块的解决方案，并列出系统框图，使设计内容清晰明了。在第三章中，结合分模块化的设计思想，设计中的硬件设计分为对模拟信号进行处理的LM324运放模块、模数转化的内部高速AD模块和外部DAC0832模块、高速数据传输和接收的串口和USB模块。在本章中，对各模块进行了详细的介绍。在第四章中，主要介绍了MCU部分的软件编程设计。文中对MCU时钟及I/O部分、内部部分、UART0及USB部分等各个模块进行编程初始化介绍，并附有代码，简洁、明了。在第五章中，主要介绍了编译环境KEIL及下载器U-EC5，及UART0和USB部分、内部高速AD和外部DA部分的应用功能，并附有功能代码。在第六章中，对系统进行了总结与展望。
第二章 系统方案设计
2.1系统方案选择
随着数据采集对速度性能指标越来越高，高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中得到了十分广泛的应用。高速数据采集系统一般分为数据采集和数据处理两部分。在数据采集时，必须以很高的速度采集数据，但在数据处理时并不需要以同样的速度来进行。因此，高速数据采集需要有一个数据缓存单元，现将采集的数据有效地存储，然后根据系统需求进行数据处理。
由于本设计的高速采集系统，采样频率要求较高，同时要求采集的信号快速的传输给上位机，综合以上要求，设计MCU选择了C8051F340单片机。
摘 要
EL-AT-II自动控制原理实验箱已使用多年，已无法与计算机通信，上位机软件在新的操作系统下无法运行，需对实验箱进行升级改造。实验箱升级改造涉及多个技术领域。另外，高速数据采集与传输系统在实际生产过程中有着非常广泛的实际应用。数据采集与传输系统可以实时的采集、监视和记录生产流水线的工艺参数，并进行及时的科学分析和智能反馈，为提高生产产品质量，降低生产成本提供了信息和手段。
本文提出了一种以单片机为处理核心的低成本高速数据采集系统设计方案。首先，系统以高速系统级芯片（SOC）C8051F340为核心，外部辅助以运放模块（LM324）和DA模块（DAC0832），实现高速的数据采样与传输。系统运用模块化设计方法，将硬件分为运放、AD/DA、串口/USB等不同模块。其中，系统成功运用了完全符合USB2.0协议的USB模块，更加符合时代需求。在软件设计与系统调试方面，选用功能丰富的KEIL 编译环境，出色的C语言软件编程，分模块化各个击破，成功实现软硬件设计的无缝结合，完全满足设计需求。文章最后对所做的工作进行了总结和展望。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字C8051F340；AD；数据采集；SOC
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2发展和现状 2
1.3本文内容 3
第二章 系统方案设计 4
2.1系统方案选择 4
2.2 系统框图 6
2.3 本章小结 6
第三章 模块电路设计 7
3.1信号运放模块设计 7
3.2高速A/D模块设计 9
3.3高速D/A模块设计 12
3.4串口模块设计 14
3.5 USB模块设计 16
3.6 原理图及PCB设计 21
3.7 本章小结 25
第四章 软件设计 26
4.1 时钟初始化和I/O初始化 26
4.2 内部高速A/D模块初始化 28
4.3 串口模块初始化设计 28
4.4 USB模块初始化设计 29
4.5 本章小结 30
第五章 系统调试 31
5.1 MCU系统调试 31
5.2 串口及高速USB模块调试 34
5.3 DAC0832模块和高速内部A/D调试 38
5.4 本章小结 38
第六章 总结与展望 39
6.1 总结 39
6.2 展望 39
参考文献 40
致 谢 42
附图、附录 43
英文原文 44
英文翻译 51
第一章 绪论
1.1 课题研究的意义
随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。这就为我们的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理。
AD的转换速度进一步的提升，对工业总线的传输速率提出了更高的要求。以RS232和RS485为代表传统的总线传输方式传输速率慢、抗干扰能力差，很大程度上制约了工业数字化技术的发展。因此寻求一种高速、安全、方便的总线技术就显得尤为重要。
虽然USB技术出现时间并不长，但由于它高速、安全、方便的优点被越来越多的厂商和用户所接受，形成了电脑周边的外设和数码产品必备USB接口的局面。因此USB进入工控领域是必然趋势。基于USB的数据传输技术具有传输速度快、数据丢失率低、可靠性高、抗干扰能力强以及便于数据的处理和存储的优点，可以广泛应用与工控领域的信号采集。
基于单片机的采集系统有着频率高，编程简单、内部存储容量大等优点，适应于高速数据采集的场合。比如在某些高振荡、高冲击场合下，需要对冲击过程的加速度数据进行回收，包括实时采集、存储以及事后回读分析。在这样的环境下，要求数据回收系统具有采集的高速、实时性；存储的及时、正确性。基于单片机的采集系统可以大大减化外围控制电路，编程易修改，适应性强，二次扩展简单，使系统更加简洁、适应性更强。
所以针对本课题的研究可以很好的解决制约工业领域数字化发展的数据采集、数据传输的问题，可以在一定程度上推进工业领域的数字化建设，直接或间接创造经济效益。因此对本课题的研究具有一定的现实意义和经济意义。
1.2发展和现状
在数字技术日新月异的今天，数据采集技术的重要性是十分显著的。它是数字世界和外部物理世界连接的桥梁。而随着现代工业和科学技术的发展，对数据采集技术的要求日益提高，在雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、信号测试等科研实践领域中，都需要高精度，高数据率的数据采集系统。它的关键技术为高速高精度的ADC技术，高数据率的存储和缓存技术以及系统高可靠性保证等。
通过数据采集技术，科研人员在实验现场可以根据需要实时记录原始数据，用于实验室后期的分析和处理，对工程实践和理论分析探索具有重大意义。正是由于目前数据采集技术广泛应用在科研实践和工业生产中的各个领域，当前国外对采集技术的研究和发展比较成熟。按通道数分有单通道的、双通道的、多通道的(多达上百通道)；按采样率分可从几kHz到高达几个GHz；按分辨率分有8位、10位、12位、14位还有16位。在一些高端的示波器，频谱仪等测试仪器中，其采样率可达几个GHz，甚至几十个GHz。而国内由于发展时间短，芯片技术等一些方面的限制，目前没有高水平的采集器出现。现在从高校到研究所到公司对采集器的需求越来越多，性能要求也越来越高。这种情况给我们研发和设计高速数据采集系统提供了很多机遇。
随着现代工业和科学技术的发展，数据传输技术也在快速发展，目前，较常用的是串口通信、USB技术等方式。串口即串行接口，是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路
USB，是英文Universal?Serial?Bus（通用串行总线
与国外相比，国内的USB数据采集技术仍然比较落后，在一些采集数据量大、实时性要求高的场合依旧以国外的产品为主导。随着USB接口技术的进一步普及和发展，结合工业领域对于数据采集技术的要求不断提升，有必要开展对基于USB的数据采集技术的研究。高性能、高可靠性的先进数据采集设备的国产化研究已经成为了亟待解决的现实问题。
1.3本文内容
本章主要介绍了课题研究的迫切意义，并对高速数据的采集/传输技术的发展及现状进行了简单的介绍。在第二章中，本文提出来系统设计方案，以C8051F340单片机为核心，结合外部运算放大器模块、外部DA模块的解决方案，并列出系统框图，使设计内容清晰明了。在第三章中，结合分模块化的设计思想，设计中的硬件设计分为对模拟信号进行处理的LM324运放模块、模数转化的内部高速AD模块和外部DAC0832模块、高速数据传输和接收的串口和USB模块。在本章中，对各模块进行了详细的介绍。在第四章中，主要介绍了MCU部分的软件编程设计。文中对MCU时钟及I/O部分、内部部分、UART0及USB部分等各个模块进行编程初始化介绍，并附有代码，简洁、明了。在第五章中，主要介绍了编译环境KEIL及下载器U-EC5，及UART0和USB部分、内部高速AD和外部DA部分的应用功能，并附有功能代码。在第六章中，对系统进行了总结与展望。
第二章 系统方案设计
2.1系统方案选择
随着数据采集对速度性能指标越来越高，高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中得到了十分广泛的应用。高速数据采集系统一般分为数据采集和数据处理两部分。在数据采集时，必须以很高的速度采集数据，但在数据处理时并不需要以同样的速度来进行。因此，高速数据采集需要有一个数据缓存单元，现将采集的数据有效地存储，然后根据系统需求进行数据处理。
由于本设计的高速采集系统，采样频率要求较高，同时要求采集的信号快速的传输给上位机，综合以上要求，设计MCU选择了C8051F340单片机。
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