一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括信號預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源及監(jiān)測電路、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口；所述的被測信號通過信號預(yù)處理電路輸送到微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述的上位機(jī)通過數(shù)據(jù)通訊接口與微處理器MCU相連，完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和顯示；所述的信號預(yù)處理電路采用基于LM2904芯片的雙運(yùn)算集成放大電路；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機(jī)作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉(zhuǎn)換等功能；所述的電源及檢測電路采用芯片LM1117T-3.3作為穩(wěn)壓源。該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。
【專利說明】
一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子檢測應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)等各個領(lǐng)域。和模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)有精度高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，但有個缺點(diǎn)就是其只能處理離散信號。外界各種被檢測量如溫度、壓力、位置等，要通過各種類型傳感器轉(zhuǎn)換成電壓、電流等物理量。因?yàn)榇蟛糠謧鞲衅鬏敵鑫锢砹繛槟M量，應(yīng)而需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被控制器處理。
[0003]隨著工業(yè)現(xiàn)場控制對參數(shù)實(shí)時性要求的提高，人們對數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)的精度、容量、功耗及抗干擾性等都有了更高的要求，因此各種高性能MCU及存儲器紛紛出現(xiàn)。隨著S0C(system on chip)技術(shù)的發(fā)展,越來越多地要求將各種功能集于一體,一些知名廠商紛紛推出嵌入式SOC芯片。將A/D，D/A等功能集成在MCU上，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡化了系統(tǒng)外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)體積大大縮小。數(shù)據(jù)存儲方式主要有并行存儲和串行存儲。并行存儲較為簡單，只是需要較多的數(shù)據(jù)線與地址線，還可能要加鎖存器，使系統(tǒng)連線變得復(fù)雜，傳輸數(shù)據(jù)的各個位必須處于一個時鐘周期內(nèi)的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結(jié)構(gòu)要求越嚴(yán)格，系統(tǒng)設(shè)計難度加大，系統(tǒng)成本提高，可靠性降低?，F(xiàn)在越來越多的使用串行方式存儲數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積，同時實(shí)現(xiàn)USB通訊和基于Labview的圖形化數(shù)據(jù)顯示。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括信號預(yù)處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；所述的被測信號通過信號預(yù)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機(jī)相連，原始采集數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)之后將進(jìn)行處理、儲存和顯示；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機(jī)作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉(zhuǎn)換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的FLASH存儲器。
[0006]該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信號預(yù)處理電路包括LM2904型雙運(yùn)算集成放大芯片、IKΩ電阻(R1)、91KQ電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和1uF電容(C2)等，所述被測信號通過1ΚΩ電阻(Rl)與運(yùn)算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運(yùn)算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91ΚΩ電阻(R4)與運(yùn)算放大器LM2904的輸出端(I)相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91ΚΩ電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端(I)通過1uF電容(C2)與A/D轉(zhuǎn)換電路接口 Vout相連；所述的電源及監(jiān)測電路包括穩(wěn)壓芯片LM1117T-3.3、穩(wěn)壓二極管(Dl)UOuF 電容(C1)、0.1uF 電容(C2)、10uF 電容(C3)和 1uF 電容(C4)，所述的電路電壓(VCC)連接穩(wěn)壓二極管(Dl)的正極，所述的二極管的(Dl)的負(fù)極與芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)相連，所述芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與器件電壓(VDD)相連，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)與地相連；所述的1uF電容(Cl)和0.1uF電容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)與地之間；所述的1uF電容(C3)和1uF電容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與地之間。
[0007]該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作步驟如下:
步驟1、上電開機(jī)；
步驟2、微處理器MCU初始化內(nèi)部指令和配置；
步驟3、微處理器MCU發(fā)送采集指令并啟動A/D轉(zhuǎn)換程序；
步驟4、A/D轉(zhuǎn)換開始工作，對檢波電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
步驟5、微處理器將采集數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)FLASH中；
步驟6、數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)調(diào)用USB接口程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)終端；
步驟7、上位機(jī)啟動LabVIEW終端處理程序，通過讀取USB接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲；
步驟8、LabVIEff終端處理程序?qū)Υ鏀?shù)據(jù)進(jìn)行波形繪圖和數(shù)據(jù)顯示；
步驟9、結(jié)束程序。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
傳感器輸出的檢波信號的變化量一般為1mV飛OmV，在進(jìn)行信號處理前必須將信號加以放大，這樣才有利于進(jìn)行信號處理；隔直分壓電路將檢波電壓信號的直流分量慮去，并將信號的靜態(tài)工作電平控制在2V左右，使其低于微控制器管腳所能承受的最大電壓，保證處理器的正常工作。LM2904是一種雙運(yùn)算集成放大電路，能工作在高達(dá)32V寬電壓范圍，其直流電壓增益為10dB,增益帶寬積為1.1MHz。LM2904運(yùn)算放大器采用單電源供電，VCC為電源適配器提供的15V電壓，VDD是C8051F340的工作電壓3.3V，Vin為檢波電壓的信號輸入接口，Vout為經(jīng)過信號預(yù)處理以后的輸出信號。
[0009]信號預(yù)處理電路采用LM2904構(gòu)成同相比例放大運(yùn)算電路，輸入電壓通過電阻Rl作用于LM2904的正相輸入端，故輸出電壓與同相。電阻R4跨接在LM2904的輸出端和反相輸入端，引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。反相輸入端通過電阻R3接地，R3為補(bǔ)償電阻，以保證LM2904輸入級差分放大電路的對稱性。
[0010]根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求1k以上的采集速度，采集100秒以上，可以初步計算存儲器容量:10 KX2X100=2000K字節(jié)。考慮到本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通用性，設(shè)計4采集通道；數(shù)據(jù)存儲容量不小于4Μ字節(jié)，采用2塊4Μ字節(jié)的FLASH。我們選擇SST公司帶SPI接口的大容量FLASH存儲器SST25VF032B。電源及監(jiān)測電路的穩(wěn)壓源選用美國國家半導(dǎo)體公司的LM1117T-3.3。LM1117T-3.3是低壓降穩(wěn)壓源，最大輸出電流高達(dá)800mA，最高輸入電壓為20V，電流消耗少，輸出電壓精確性高(±1 %)，廣泛應(yīng)用在電池供電裝置、個人通訊設(shè)備、家庭電氣電子用具中。
[0011]微處理器MCU采用Silicon Labs公司的C8051F系列單片機(jī)作為采集電路的主要微控制器。C8051F340器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于實(shí)現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備。USB功能控制器(USBO)由串行接口引擎(SIE)、USB收發(fā)器(包括匹配電阻和可配置上拉電阻)、IKB FIFO存儲器和時鐘恢復(fù)電路組成，不需要外部元件。
[0012]該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0014]圖1是該微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖2是該系統(tǒng)的微型處理器MCU硬件結(jié)構(gòu)圖；
圖3是該系統(tǒng)的信號預(yù)處理電路圖；
圖4是該系統(tǒng)的電源及監(jiān)控電路圖；
圖5是該系統(tǒng)的軟件總體流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1是該微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號預(yù)處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；所述的被測信號通過信號預(yù)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機(jī)相連，原始采集數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)之后將進(jìn)行處理、儲存和顯示；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機(jī)作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉(zhuǎn)換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的FLASH存儲器。
[0016]圖2是該系統(tǒng)的微型處理器MCU硬件結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)選擇Silicon Labs公司的C8051F系列單片機(jī)作為采集電路的主要微控制器。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F系列單片機(jī)的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART, SP1、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、定時器、數(shù)字I/O 口、電源監(jiān)視器、看門狗電路WDT和時鐘振蕩器等。這種芯片先進(jìn)的數(shù)一?；旌闲盘柼幚淼腎C工藝，顯著地提高了信號處理速度和精度，其系列產(chǎn)品的高性能讓使用者更靈活地對芯片編程。該系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。CPU有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。
[0017]圖3是該系統(tǒng)的信號預(yù)處理電路圖，信號預(yù)處理電路包括LM2904型雙運(yùn)算集成放大芯片、1ΚΩ電阻(R1)、91KQ電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和1uF電容(C2)等，所述被測信號通過1ΚΩ電阻(Rl)與運(yùn)算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運(yùn)算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91ΚΩ電阻(R4)與運(yùn)算放大器LM2904的輸出端(I)相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91ΚΩ電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端(I)通過1uF電容(C2)與A/D轉(zhuǎn)換電路接口 Vout相連。
[0018]圖4是該系統(tǒng)的電源及監(jiān)控電路圖，電源及監(jiān)測電路包括穩(wěn)壓芯片LM1117T-3.3、穩(wěn)壓二極管(Dl)UOuF電容(C1)、0.1uF電容(C2)、10uF電容(C3)和1uF電容(C4)，所述的電路電壓(VCC)連接穩(wěn)壓二極管(Dl)的正極，所述的二極管的(Dl)的負(fù)極與芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)相連，所述芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與器件電壓(VDD)相連，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)與地相連；所述的1uF電容(Cl)和0.1uF電容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)與地之間；所述的1uF電容(C3)和1uF電容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與地之間。
[0019]圖5是該系統(tǒng)的軟件總體流程圖，本數(shù)據(jù)采集裝置的軟件工作過程是:首先是上電開機(jī)，單片機(jī)發(fā)送采集指令后啟動A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)z波電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時將采集數(shù)據(jù)存儲在FLASH中，采集完成后調(diào)用USB接口程序?qū)z波電壓上傳至PC終端，LabVIEff終端處理程序通過讀取USB接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲和波形顯示。
[0020]除了上述以外本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員也都能理解到，在此說明和圖示的具體實(shí)施例都可以進(jìn)一步變動結(jié)合。例如，可以將C8051F系列微控制器MCU更換為其它類型的如英飛凌XD512系列MCU。
[0021]雖然本發(fā)明是就其較佳實(shí)施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術(shù)的人都可理解至IJ，在所述權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可對本發(fā)明作出種種改動和變動。
【權(quán)利要求】
1.一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括信號預(yù)處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；所述的被測信號通過信號預(yù)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機(jī)相連，原始采集數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)之后將進(jìn)行處理、儲存和顯示；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機(jī)作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉(zhuǎn)換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的FLASH存儲器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號預(yù)處理電路包括LM2904型雙運(yùn)算集成放大芯片、1ΚΩ電阻(R1)、91KQ電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和1uF電容(C2)等，所述被測信號通過IK Ω電阻(Rl)與運(yùn)算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運(yùn)算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91KΩ電阻(R4)與運(yùn)算放大器LM2904的輸出端(I)相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91ΚΩ電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端(I)通過1uF電容(C2)與A/D轉(zhuǎn)換電路接口 Vout相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的電源及監(jiān)測電路包括穩(wěn)壓芯片LM1117T-3.3、穩(wěn)壓二極管(Dl)、10uF電容(C1)、0.1uF電容(C2)、10uF電容(C3)和1uF電容(C4)，所述的電路電壓(VCC)連接穩(wěn)壓二極管(Dl)的正極，所述的二極管的(Dl)的負(fù)極與芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)相連，所述芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與器件電壓(VDD)相連，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)與地相連；所述的1uF電容(Cl)和0.1uF電容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的輸入端(I)與地之間；所述的1uF電容(C3)和1uF電容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的輸出端(3)與地之間。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)的工作步驟如下: 步驟1、上電開機(jī)； 步驟2、微處理器MCU初始化內(nèi)部指令和配置； 步驟3、微處理器MCU發(fā)送采集指令并啟動A/D轉(zhuǎn)換程序； 步驟4、A/D轉(zhuǎn)換開始工作，對檢波電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； 步驟5、微處理器將采集數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)FLASH中； 步驟6、數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)調(diào)用USB接口程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)終端； 步驟7、上位機(jī)啟動LabVIEW終端處理程序，通過讀取USB接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲； 步驟8、LabVIEff終端處理程序?qū)Υ鏀?shù)據(jù)進(jìn)行波形繪圖和數(shù)據(jù)顯示； 步驟9、結(jié)束程序。
【文檔編號】G05B19/042GK104199343SQ201410399455
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】徐云鵬 申請人:徐云鵬