沈阳理工大学学士学位论文
1 绪论
1.1 研究背景及其目的意义
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国最先在军事上研究的数据采集测试系统，目标是测试过程中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且是由测试设备自动控制高速完成测试任务。由于该种数据采集测试系统具有高速和灵活等特性，可以满足许多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了人们的初步认可。大概在60年代后期，国外市场就有成套的数据采集设备出现[1]。
20世纪70年代后期，随着微型机的发展，出现了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统优良的性能，超过了传统的专用数据采集系统和自动检测仪表，因而获得了高速的发展。从70年代起，数据采集系统在以后发展过程中逐渐演变成为两类，一类是工业现场的数据采集系统，另一类是实验室的数据采集系统[2]。
20世纪80年代计算机的高速发展和在生活中的应用，使数据采集系统获得了较快的发展，逐步出现了自动测试系统与通用的数据采集。那时候的数据采集系统主要分为两类，一类由采集器和通用接口总线、仪表仪器和计算机组成。这类系统不仅在实验室获得了较多的应用，在工业生产中也有一定程度的应用。第二类以标准总线、数据采集卡和计算机构成，这一类主要应用于工业现场。20世纪80年代中后期，数据采集发生了惊人的变化，单片机、大规模集成电路和工业计算机的组合，用软件来完成管理任务，使系统的体积变小，成本降低，功能大大增强，数据处理能力倍增[3]。
自20世纪90年代至今，一些技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到工业、航空电子设备及宇航技术、军事等诸多领域。随着集成电路制造技术的提高，出现了高性能、可靠性较高的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术俨然已经成为一种专门的技术，在工业等领域得到了广泛应用[4]。该阶段的数据采集系统采用模块化结构，根据不同的应用需求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展和修改系统，迅速组成一个新的系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软
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件，就能实现数据采集的功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生根本性的影响。相较于数据采集板卡功能和成本的限制，单片机具高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格、多功能等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统能在许多领域得到广泛的应用。
1.2 国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前数据采集技术发展的主流方向。多数领域都用到了数据采集，在飞机飞行、石油勘探、科学实验、地震数据采集领域已经得到广泛的应用。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ [5].
美国PASCO公司生产的“科学工作室”是数据采集应用于物理实验的崭新系统，它主要由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各种物理量；（2）计算机接口：将传感器采集到的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：英文及中文的应用软件[6]。
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。该系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
1.3 该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息数据的采集、存储、处理以
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及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的快速发展和普及应用,数据采集监测技术已成为非常重要的检测技术,被广泛地应用于工农业等需要同时监控压力、温度和湿度等数据的场合。数据采集是工业控制等系统不可缺少的环节,大多采用一些功能相对独立的专用单片机系统来实现其控制功能。作为测控系统至关重要的部分,数据采集系统的性能直接影响到整个系统的运转。
传统的基于单片机的数据采集系统就是因为没有上位机的支持,所以无论使用什么样的数据存储器,它都只有有限的存储容量,所以不得不覆盖刷新历史数据,这样一来不利于用户整体分析数据,因而也不能准确地把握生产过程的状况并做出适当的计划。
本系统采用下位机负责模拟数据的采集,单片机负责采集八路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间用ISP下载进行通信。这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。该系统采用的是ATMEGA128单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。
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2 数据采集总体设计
2.1 系统设计的基本要求
1、将采集的模拟信号转换成方便处理的数字量。 2、对完成转换后的数字量进行处理。 3、能够控制信号的采集、处理、显示等。 4、该系统要具有准确性、可靠性和稳定性。 5、给出具体的硬件和软件。
在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则 : 为了给硬件系统的标准化、模块化打下基础，尽可能多地选择典型电路。系统外围设备的配置要满足系统的功能要求，留有余地，以便进行改进。应将硬件结构和软件相结合。系统中相关器件要尽可能做到性能匹配
2.2 数据采集系统结构功能及简介
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。
70年代初，随着大规模集成电路及计算机技术的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的诞生，数据采集的系统结构发生了重大的改变。原来由硬件程序控制器组成的采集系统及小规模集成的数字逻辑电路变为被由微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器完成程序控制，逻辑操作及大部分数据处理，使系统的可靠性和灵活性得到了较大的提高，系统的硬件成本和重建费用也得到了较大的降低[7]。
在本系统中需要将模拟量转换为数字量，而 A/D是将模拟量转换为数字量的器件，它需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中采用的是AVR系列的单片机。双机通信的串行口可以采用ISP实现双机的通信。而数据的显示则采用的是LCD1602液晶显示，该器件比较简单，在生活中接触也较多。 其中：ATMEGA128 ( 主控芯片) : CPU 作为该系统的核心控制芯片, 起采集、控制显示的作用。显示模块：采用LCD1602用来显示采集到的数值。通信模块：采用ISP实现单片机与PC机间的通信。模数转换模块：采用ATMEGA128自带的10位A/D转换进行模拟信号到数字信号的转换，以供给单片机采集数据。
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系统框图如图2.1所示：
晶振电源模拟电压电位器单片机PC机七段数码管
图2.1系统框图
2.3 硬件开发工具
2.3.1 Altium Designer6.9简介
Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案——一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。
2.3.2 Altium Designer6.9设计理念 1、原理图设计系统
这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。它可以为印制电路板设计提供网络表。该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功能，使用户可以轻松完成所需的设计任务。 2、印制电路板设计系统
它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点，用于印制电路板（PCB）的设计并最终产生PCB文件，直接关系到印制电路板的生产。Altium Designer6.9的印制电路板设计系统可以进行多达32层信号层、16层
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