具有16位AD转换U盘存储的便携式数据采集装置设计

摘要

高精度AD转换、海量数据存储与便携技术，是目前数据采集研究领域一个比较关注的热点，这些技术的实现和应用，可以很好的解决传统数据采集中精度低、数据不易保存等一些问题。 本课题来源于太原理工大学应用力学研究所《高精度移动数据采集装置》项目，该项目是设计一台可用于施工现场的高精度、U盘存储与便携式数据采集装置。 本文在查阅了国内外文献的基础上，研究了目前市场上便携式数据采集装置，给出了一种基于嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ、U盘存储与16位AD转换精度的便携式数据采集装置的设计方案。 本套数据采集装置由主控单元与数据采集单元两部分构成，主控单元具有液晶显示、实时时钟、环境温度检测、数据存储功能，通过RS-485接口可与上位机进行数据通信；数据采集单元可采集6路模拟量信号、8路开关量信号，与主控单元用SPI接口进行数据传输。 数据采集单元采用TI半导体公司的两片16位MSP430F425来实现16位精度的数据采集与处理，该单片机内部的SDl6模块将外部模拟电压信号转换成16位数字量，同时进行数据处理和开关量的采集。为保证模拟输入信号在AD转换最佳线性范围内，还设计了量程转换电路。MSP430F425单片机采集的数据通过SPI总线传输到主控单元。 主控单元采用菲利浦半导体公司的32位ARM内核LPC2132单片机，其数据处理能力和丰富的片内资源可满足数据采集装置的功能和性能需要。设计的U盘存储电路中，L2C2132单片机通过USB接口芯片CH375，把采集到的数据以FAT16的文件格式写入U盘，PC机可通过读取U盘对信号数据进行二次分析与处理。U盘存储数据的设计是本装置便携特性的体现。为了方便用户的观察与操作，设计了液晶显示、键盘等电路，并给出了详细的电路原理图。为了实现采集装置功能，设计了主控单元与数据采集单元的程序。数据采集单元的程序包括AD转换功能、数据处理、开关量采集与SPI通信功能；主控单元软件设计采用了嵌入式操作系统任务设计思想，首先将μC/OS-Ⅱ移植到LPC2132单片机中，并具体设计和实现了该装置功能的各个任务，μC/OS-Ⅱ的应用使数据采集具有更好的实时性，同时方便了系统的扩展和升级。 试验电路验证了主要设计原理的可行性与合理性，为高精度移动数据采集装置的产品设计提供了依据。 论文最后介绍了本文的主要工作，说明了论文的特点和意义，同时指出了系统设计的不足和改进。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1数据采集概述

1.2便携式数据采集装置的市场状况和发展趋势

1.2.1数据采集装置的市场状况

1.2.2数据采集装置的发展趋势

1.3本数据采集装置的特点

1.4论文的主要工作

1.5数据采集装置的性能指标

1.6本章小结

第二章数据采集装置的总体方案

2.1数据采集装置总体规划方案

2.1.1硬件规划

2.1.2软件规划

2.2数据采集装置的硬件设计

2.2.1主控单元芯片的选择

2.2.2数据采集芯片的选择

2.3数据采集装置的软件设计

2.4本章小结

第三章数据采集装置主控单元设计

3.1主控单元原理框图

3.2 LPC2132单片机最小系统

3.2.1 LPC2132单片机的内部功能模块与引脚排列

3.2.2复位电路

3.2.3时钟电路的设计

3.2.4编程与调试电路

3.2.5 LPC2132最小系统电路图

3.3电源电路的设计

3.4 LPC2132单片机与MSP430F425通信接口电路的设计

3.5人机接口电路

3.5.1液晶显示电路

3.5.2键盘接口电路

3.6实时时钟电路的设计

3.7环境温度检测电路设计

3.8 RS-485通信电路

3.9数据存储电路的设计

3.9.1 USB接口芯片的选择

3.9.2 CH375芯片

3.9.3 CH375硬件电路的设计

3.10 LPC2132单片机引脚分配表

3.11本章小结

第四章数据采集单元软硬件设计

4.1数据采集单元电路设计

4.1.1 MSP430F425单片机

4.1.2信号调理电路

4.1.3开关量采集的硬件设计

4.1.4 MSP430F425单片机与LPC2132单片机的SPI通信

4.1.5 MSP430F425芯片的引脚连接表

4.2 A/D转换的硬件工作原理

4.3 A/D转换的软件设计

4.4量程转换软件设计

4.5开关量采集的软件设计

4.6主程序设计

4.7数据采集装置的误差分析

4.8本章小结

第五章数据采集装置主控单元软件设计

5.1μC/OS-Ⅱ在LPC2132单片机上的移植

5.1.1 μC/OS-Ⅱ移植的条件

5.1.2μC/OS-Ⅱ代码移植的具体工作内容

5.1.3 μC/OS-Ⅱ的测试

5.2主程序设计

5.3数据存储任务的编写

5.4人机接口模块任务的编写

5.4.1键盘任务的编写

5.4.2 LCD任务的编写

5.5实时时钟任务设计

5.6 DS1 8B20任务设计

5.7通讯模块协议设计

5.7.1 RS 485通讯协议设计

5.7.2 SPI协议设计

5.8本章小结

第六章系统的调试和测试

6.1实验装置原理图与电路板图

6.2 IAR实验开发环境

6.3原理验证实验

6.4本章小结

第七章总结

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文