矿用便携式数据采集系统的设计

摘要

现代化数据测量中，数据采集系统的性能是关系到仪表是否能正确反映被测量相关参数的重要环节。在采煤技术快速发展的今天，采煤安全也越来越受到人们的关注，许多井下传感器也得到了快速发展和应用。而随着仪表应用时间的增长，电子元器件的老化和应用环境的变化的影响，每一款测量仪表不可能长期地、稳定地、精准地运行。因此定期检测仪表的精确程度和稳定程度就成了保证测量系统稳定运行和及时预警发现故障的重要工作。本文描述了采用优良性能芯片制作的一款矿用便携式数据采集系统，完成煤矿井下数据的采集工作。
　　 此数据采集系统采用DSP芯片作为信号处理的核心，DSP把数字信号进行滤波、变换、分解等处理。信号的有效成分通过高速缓冲数据串行通讯的方式发送至存储设备或者片上FLASH。或者由ARM7控制对信号做存储、传输、显示等输出处理。24位分辨率∑-△型模数转换器作为矿井下信号采集核心，可以有效减小模数转换带来的误差，对其I/O的写操作可以完成对其所有的控制功能。为配合此芯片的多通道切换和功能扩展，采用一片复杂可编程逻辑器件对其发送指令代码，完成数据采集系统各个通道的触发、关断、频率转换、模式转换等设置。
　　 在系统的设计过程中充分利用了现代电子设计技术，采用CADENCE软件绘制了系统的原理图，在绘制原理图工作中利用电子元件的各种仿真模型和网络模型，分析了元器件搭配的可行性，并采取边绘图边纠错的方式避免了很多错误。系统设计从电子元器件的功能方面和经济方面都做出了分析，并找出折中点完成性价比的优化。例如电路中采用了多片I2C扩展芯片扩展了控制接口的同时节约了系统的成本。鉴于DSP芯片的控制功能有限的特点，特别为系统配置了一片ARM芯片作为统筹控制的核心，负责向DSP和模数转换器发送控制指令。
　　 煤矿井下环境复杂，相对封闭，各种信号产生的干扰夹杂在被测信号中，信号采集以后要达到应用需求，还需要做相应处理，算法是实现处理功能的钥匙，为此本文分别设计了快速傅里叶变换算法，有限冲击响应滤波器算法和无限冲击响应滤波器算法，用来提取特定频率信号和滤除特定信号。
　　 针对DSP和ARM等耗电量相对较大的芯片，做出了电流的计算和估计，并结合便携式应用的特点，选择了系统的电源形式为开关电源与线性电源共同使用的方案。针对开关电源对系统的干扰较大的问题，对PCB布线做出了相应的规划。在其它的电路设计中也充分考虑到了高速电路的电磁兼容问题和信号完整性的问题，并在元器件的选择上作出了适当的调整。
　　 本系统的硬件开发为系统的再次扩展留有接口，可以采用多种控制方式，也可以采用有多种人机交互的形式，能够方便的完成便携式操作。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 便携式数据采集系统的国内外研究现状

1．3 本文研究的内容

1．4 本章小结

第二章 便携式数据采集系统实现方案

2．1 采集系统的介绍

2．1．1 采集实时数据和监测功能

2．1．2 较高的传输和处理速度

2．1．3 实现实时地存储

2．1．4 整个系统小巧且功耗低

2．1．5 信号能实现传输功能

2．1．6 抗干扰功能

2．1．7 数据分析功能

2．2 系统设计方案

2．3 本章小结

第三章 数据采集系统的基本理论

3．1 数字信号处理系统的原理

3．1．1 离散信号和数字信号

3．1．2 数字信号处理

3．1．3 基本运算法则

3．2 快速傅里叶变换

3．3 数字滤波器

3．3．1 IIR滤波器

3．3．2 FIR数字滤波器

3．4 数据采集系统的原理

3．4．1 A／D转换器的主要技术指标

3．4．2 并联比较型ADC

3．4．3 逐次比较型ADC

3．4．4 双积分型ADC

3．4．5 Σ-ΔADC

3．5 本章小结

第四章 系统硬件设计

4．1 电源电路设计

4．1．1 单极电源设计

4．1．2 双极电源设计

4．2 模数转换电路设计

4．2．1 参考电压原理图

4．3 信号的预处理电路的设计

4．4 ARM与DSP间传输电路设计

4．5 DSP芯片的DRAM与Flash存储芯片的扩展

4．6 CPLD电路设计

4．7 网络传输电路的设计

4．8 SD卡设计

4．9 LPC2106电路设计

4．10 本章小结

第五章 算法设计与仿真

5．1 应用软件介绍

5．2 快速傅里叶变换算法的编程与仿真

5．3 FIR的设计与仿真

5．4 IIR程序设计与仿真

5．5 本章小结

第六章 数据采集系统PCB设计

6．1 PCB板的布局布线设计

6．1．1 接地方式选择

6．1．2 PCB布线规则

6．2 PCB板的抗干扰设计

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望与改进

参考文献

致谢

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