一种基于串行储存方式的微型数据采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，包括信号预处理电路、A/D转换电路、电源及监测电路、微处理器MCU、外部存储器和数据通讯接口；所述的被测信号通过信号预处理电路输送到微型数据采集系统；所述的上位机通过数据通讯接口与微处理器MCU相连，完成数据的进一步处理和显示；所述的信号预处理电路采用基于LM2904芯片的双运算集成放大电路；所述的微处理器MCU采用C8051F系列单片机作为核心处理器，完成对被测信号处理、转换等功能；所述的电源及检测电路采用芯片LM1117T-3.3作为稳压源。该基于串行储存方式的微型数据采集系统结构简单、节能低耗，采用串行接口的FLASH储存方式大幅提高读写速率，有效增加系统可靠性，降低系统体积。
【专利说明】
一种基于串行储存方式的微型数据采集系统
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子检测应用【技术领域】，尤其涉及一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，该采集系统采用串行接口的FLASH储存方式大幅提高读写速率，有效增加系统可靠性，降低系统体积。
【背景技术】
[0002]随着计算机的广泛应用和电子技术的发展，数字技术被广泛应用于国民经济、国防建设与科学实验等各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但有个缺点就是其只能处理离散信号。外界各种被检测量如温度、压力、位置等，要通过各种类型传感器转换成电压、电流等物理量。因为大部分传感器输出物理量为模拟量，应而需要转换为数字信号才能被控制器处理。
[0003]随着工业现场控制对参数实时性要求的提高，人们对数据采集及存储系统的精度、容量、功耗及抗干扰性等都有了更高的要求，因此各种高性能MCU及存储器纷纷出现。随着S0C(system on chip)技术的发展,越来越多地要求将各种功能集于一体,一些知名厂商纷纷推出嵌入式SOC芯片。将A/D，D/A等功能集成在MCU上，其最大优点是简化了系统外围电路设计，降低系统功耗，系统体积大大缩小。数据存储方式主要有并行存储和串行存储。并行存储较为简单，只是需要较多的数据线与地址线，还可能要加锁存器，使系统连线变得复杂，传输数据的各个位必须处于一个时钟周期内的相同位置，频率越高，对器件的传输性能和电路结构要求越严格，系统设计难度加大，系统成本提高，可靠性降低。现在越来越多的使用串行方式存储数据。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，本发明的数据采集系统结构简单、节能低耗，采用串行接口的FLASH储存方式大幅提高读写速率，有效增加系统可靠性，降低系统体积，同时实现USB通讯和基于Labview的图形化数据显示。
[0005]为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案:
一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，其特征在于，包括信号预处理电路、电源及监测电路、A/D转换、微处理器MCU、外部存储器和数据通讯接口 ；所述的被测信号通过信号预处理电路和A/D转换输送到微处理器MCU，所述的电源及监测电路与预处理电路、A/D转换和微处理器MCU相连，电源及监测电路为系统提供+3.3V稳定工作电压，所述的外部存储器与微处理器MCU相连，所述的微处理器MCU通过数据通讯接口与上位机相连，原始采集数据输送到上位机之后将进行处理、储存和显示；所述的微处理器MCU采用C8051F系列单片机作为核心处理器，完成对被测信号处理、转换和采集；所述的外部储存器采用带SPI接口的FLASH存储器。
[0006]该基于串行储存方式的微型数据采集系统中的信号预处理电路包括LM2904型双运算集成放大芯片、IKΩ电阻(R1)、91KQ电阻(R4)、0.0OlnF电容(C4)和1uF电容(C2)等，所述被测信号通过1ΚΩ电阻(Rl)与运算放大器LM2904的正相输入端(4)连接，所述运算放大器LM2904的反相输入端(3)通过91ΚΩ电阻(R4)与运算放大器LM2904的输出端(I)相连，所述的0.0OlnF电容(C4)与91ΚΩ电阻(R4)并联，所述的LM2904的输出端(I)通过1uF电容(C2)与A/D转换电路接口 Vout相连；所述的电源及监测电路包括稳压芯片LM1117T-3.3、稳压二极管(Dl)UOuF 电容(C1)、0.1uF 电容(C2)、10uF 电容(C3)和 1uF 电容(C4)，所述的电路电压(VCC)连接稳压二极管(Dl)的正极，所述的二极管的(Dl)的负极与芯片LM1117T-3.3的输入端(I)相连，所述芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与器件电压(VDD)相连，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)与地相连；所述的1uF电容(Cl)和0.1uF电容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的输入端(I)与地之间；所述的1uF电容(C3)和1uF电容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与地之间。
[0007]该基于串行储存方式的微型数据采集系统，系统的工作步骤如下:
步骤1、上电开机；
步骤2、微处理器MCU初始化内部指令和配置；
步骤3、微处理器MCU发送采集指令并启动A/D转换程序；
步骤4、A/D转换开始工作，对检波电压进行数据采集；
步骤5、微处理器将采集数据存储在系统FLASH中；
步骤6、数据采集完成后，系统调用USB接口程序将采集数据上传至上位机终端；
步骤7、上位机启动LabVIEW终端处理程序，通过读取USB接口数据实现原始数据存储；
步骤8、LabVIEff终端处理程序对储存数据进行波形绘图和数据显示；
步骤9、结束程序。
[0008]本发明的有益效果是:
传感器输出的检波信号的变化量一般为1mV飞OmV，在进行信号处理前必须将信号加以放大，这样才有利于进行信号处理；隔直分压电路将检波电压信号的直流分量虑去，并将信号的静态工作电平控制在2V左右，使其低于微控制器管脚所能承受的最大电压，保证处理器的正常工作。LM2904是一种双运算集成放大电路，能工作在高达32V宽电压范围，其直流电压增益为10dB,增益带宽积为1.1MHz。LM2904运算放大器采用单电源供电，VCC为电源适配器提供的15V电压，VDD是C8051F340的工作电压3.3V，Vin为检波电压的信号输入接口，Vout为经过信号预处理以后的输出信号。
[0009]信号预处理电路采用LM2904构成同相比例放大运算电路，输入电压通过电阻Rl作用于LM2904的正相输入端，故输出电压与同相。电阻R4跨接在LM2904的输出端和反相输入端，引入了电压串联负反馈。反相输入端通过电阻R3接地，R3为补偿电阻，以保证LM2904输入级差分放大电路的对称性。
[0010]根据系统性能指标要求1k以上的采集速度，采集100秒以上，可以初步计算存储器容量:10 KX2X100=2000K字节。考虑到本数据采集系统的通用性，设计4采集通道；数据存储容量不小于4Μ字节，采用2块4Μ字节的FLASH。我们选择SST公司带SPI接口的大容量FLASH存储器SST25VF032B。电源及监测电路的稳压源选用美国国家半导体公司的LM1117T-3.3。LM1117T-3.3是低压降稳压源，最大输出电流高达800mA，最高输入电压为20V，电流消耗少，输出电压精确性高(±1 %)，广泛应用在电池供电装置、个人通讯设备、家庭电气电子用具中。
[0011]微处理器MCU采用Silicon Labs公司的C8051F系列单片机作为采集电路的主要微控制器。C8051F340器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于实现USB接口的外部设备。USB功能控制器(USBO)由串行接口引擎(SIE)、USB收发器(包括匹配电阻和可配置上拉电阻)、IKB FIFO存储器和时钟恢复电路组成，不需要外部元件。
[0012]该基于串行储存方式的微型数据采集系统结构简单、节能低耗，采用串行接口的FLASH储存方式大幅提高读写速率，有效增加系统可靠性，降低系统体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的解释说明。
[0014]图1是该微型数据采集系统结构图；
图2是该系统的微型处理器MCU硬件结构图；
图3是该系统的信号预处理电路图；
图4是该系统的电源及监控电路图；
图5是该系统的软件总体流程图。
【具体实施方式】
[0015]图1是该微型数据采集系统结构图，基于串行储存方式的微型数据采集系统包括信号预处理电路、电源及监测电路、A/D转换、微处理器MCU、外部存储器和数据通讯接口 ；所述的被测信号通过信号预处理电路和A/D转换输送到微处理器MCU，所述的电源及监测电路与预处理电路、A/D转换和微处理器MCU相连，电源及监测电路为系统提供+3.3V稳定工作电压，所述的外部存储器与微处理器MCU相连，所述的微处理器MCU通过数据通讯接口与上位机相连，原始采集数据输送到上位机之后将进行处理、储存和显示；所述的微处理器MCU采用C8051F系列单片机作为核心处理器，完成对被测信号处理、转换和采集；所述的外部储存器采用带SPI接口的FLASH存储器。
[0016]图2是该系统的微型处理器MCU硬件结构图，系统选择Silicon Labs公司的C8051F系列单片机作为采集电路的主要微控制器。C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART, SP1、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、定时器、数字I/O 口、电源监视器、看门狗电路WDT和时钟振荡器等。这种芯片先进的数一模混合信号处理的IC工艺，显著地提高了信号处理速度和精度，其系列产品的高性能让使用者更灵活地对芯片编程。该系列单片机是真正能独立工作的片上系统。CPU有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
[0017]图3是该系统的信号预处理电路图，信号预处理电路包括LM2904型双运算集成放大芯片、1ΚΩ电阻(R1)、91KQ电阻(R4)、0.0OlnF电容(C4)和1uF电容(C2)等，所述被测信号通过1ΚΩ电阻(Rl)与运算放大器LM2904的正相输入端(4)连接，所述运算放大器LM2904的反相输入端(3)通过91ΚΩ电阻(R4)与运算放大器LM2904的输出端(I)相连，所述的0.0OlnF电容(C4)与91ΚΩ电阻(R4)并联，所述的LM2904的输出端(I)通过1uF电容(C2)与A/D转换电路接口 Vout相连。
[0018]图4是该系统的电源及监控电路图，电源及监测电路包括稳压芯片LM1117T-3.3、稳压二极管(Dl)UOuF电容(C1)、0.1uF电容(C2)、10uF电容(C3)和1uF电容(C4)，所述的电路电压(VCC)连接稳压二极管(Dl)的正极，所述的二极管的(Dl)的负极与芯片LM1117T-3.3的输入端(I)相连，所述芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与器件电压(VDD)相连，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)与地相连；所述的1uF电容(Cl)和0.1uF电容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的输入端(I)与地之间；所述的1uF电容(C3)和1uF电容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与地之间。
[0019]图5是该系统的软件总体流程图，本数据采集装置的软件工作过程是:首先是上电开机，单片机发送采集指令后启动A/D转换程序对检波电压进行数据采集，同时将采集数据存储在FLASH中，采集完成后调用USB接口程序将检波电压上传至PC终端，LabVIEff终端处理程序通过读取USB接口数据实现存储和波形显示。
[0020]除了上述以外本发明所属【技术领域】的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。例如，可以将C8051F系列微控制器MCU更换为其它类型的如英飞凌XD512系列MCU。
[0021]虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解至IJ，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明作出种种改动和变动。
【权利要求】
1.一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，其特征在于，包括信号预处理电路、电源及监测电路、A/D转换、微处理器MCU、外部存储器和数据通讯接口 ；所述的被测信号通过信号预处理电路和A/D转换输送到微处理器MCU，所述的电源及监测电路与预处理电路、A/D转换和微处理器MCU相连，电源及监测电路为系统提供+3.3V稳定工作电压，所述的外部存储器与微处理器MCU相连，所述的微处理器MCU通过数据通讯接口与上位机相连，原始采集数据输送到上位机之后将进行处理、储存和显示；所述的微处理器MCU采用C8051F系列单片机作为核心处理器，完成对被测信号处理、转换和采集；所述的外部储存器采用带SPI接口的FLASH存储器。
2.如权利要求1所述的一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，其特征在于，所述的信号预处理电路包括LM2904型双运算集成放大芯片、1ΚΩ电阻(R1)、91KQ电阻(R4)、0.0OlnF电容(C4)和1uF电容(C2)等，所述被测信号通过IK Ω电阻(Rl)与运算放大器LM2904的正相输入端(4)连接，所述运算放大器LM2904的反相输入端(3)通过91KΩ电阻(R4)与运算放大器LM2904的输出端(I)相连，所述的0.0OlnF电容(C4)与91ΚΩ电阻(R4)并联，所述的LM2904的输出端(I)通过1uF电容(C2)与A/D转换电路接口 Vout相连。
3.如权利要求1所述的一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，其特征在于，所述的电源及监测电路包括稳压芯片LM1117T-3.3、稳压二极管(Dl)、10uF电容(C1)、0.1uF电容(C2)、10uF电容(C3)和1uF电容(C4)，所述的电路电压(VCC)连接稳压二极管(Dl)的正极，所述的二极管的(Dl)的负极与芯片LM1117T-3.3的输入端(I)相连，所述芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与器件电压(VDD)相连，所述芯片LM1117T-3.3的接地端(2)与地相连；所述的1uF电容(Cl)和0.1uF电容(C2)接在芯片LM1117T-3.3的输入端(I)与地之间；所述的1uF电容(C3)和1uF电容(C4)接在芯片LM1117T-3.3的输出端(3)与地之间。
4.如权利要求1所述的一种基于串行储存方式的微型数据采集系统，其特征在于，系统的工作步骤如下: 步骤1、上电开机； 步骤2、微处理器MCU初始化内部指令和配置； 步骤3、微处理器MCU发送采集指令并启动A/D转换程序； 步骤4、A/D转换开始工作，对检波电压进行数据采集； 步骤5、微处理器将采集数据存储在系统FLASH中； 步骤6、数据采集完成后，系统调用USB接口程序将采集数据上传至上位机终端； 步骤7、上位机启动LabVIEW终端处理程序，通过读取USB接口数据实现原始数据存储； 步骤8、LabVIEff终端处理程序对储存数据进行波形绘图和数据显示； 步骤9、结束程序。
【文档编号】G05B19/042GK104199343SQ201410399455
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】徐云鹏 申请人:徐云鹏