弹载数据测试系统

分类号 V241.4 密级 U D C

弹载数据测试系统

马 国 礼

导师姓名(职称) 夏群利（副教授）答辩委员会主席 唐胜景 申请学位专业 飞行器设计

申请学科门类 工 学 论文答辩日期 2006.3.2

2006年 2 月 27 日

摘 要

本研究课题紧密结合工程实际应用，以应用于多个在研型号弹为背景，以主控单片机的选型和设计为中心，对数据测试系统的总体技术要求、主要芯片的选型、系统的硬件和软件设计、系统的可靠性、系统的回收以及系统的相关实验等进行了详细介绍。

数据测试系统总体技术要求主要是根据目前某在研型号弹输出信号的特性而提出的，根据这些信号特性，初步提出满足该型号弹要求的总体技术要求。

在总体技术要求的指导下，论文对主要芯片提出了具体的性能指标并对它们进行初步的选型。根据系统功能及性能指标要求，主要选择的芯片包括主控单片机的选择、多路开关的选择、A/D转换器的选择和外部存储器的选择等，这些芯片的选择原则除了性价比要高外，还需充分考虑该系统的部分特殊要求。

系统的硬件设计和软件设计是本论文的重点之一，尤其是软件设计，重点讲述了 系统的流程图、时序控制及部分程序等。

另外，论文还对系统的可靠性和系统的回收问题进行了相当篇幅的介绍。系统的可靠性是多个方面，论文主要讲述了元器件的可靠性、电路模块的可靠性、整体抗冲击可靠性、操作及安全可靠性及系统抗干扰等方面。系统的回收问题论文主要讲了四种方法，这四种方法各有优点和不足。

对该系统的相关实验和应用论文也做了部分说明。系统所做的实验包括高低温、振动、过载等静态和动态试验；该系统目前仅在某在研型号弹上做了部分尝试性的应用，应用结果基本符合要求。

最后，论文还针对系统在试验和应用过程中所突显的不足，提出了具体的改进和完善意见。

关键词：弹载数据测试系统 弹上记录仪 黑匣子 记录仪

单片机 低功耗 多路转换开关 A/D转换器 外部存储器 msp430f149 max306 AD1674 K9F6408

ABSTRACT

Closely combined with the actual application of engineering, under the background of the researching missile, in the center of the MCU for choosing and designing, the request of the total system technique, the choices for main chips, design for the system hardware and software, the system credibility, the system recovery and some experiments about the system etc. are studied in detail in this paper.

According to the signal characteristics of some researching missile, the total system technique request which satisfies current missile is put forward.

Under the leading of total technique request, the concrete function indexes of the main chips are put forward and some chips are chose. According to the system request, the choices of the main chips include the MCU, the switch, the A/D converter and the FLASH etc., the choice principles of these chips are in addition to high cost performance, which need some special requests for the system.

Design for the system hardware and software is one of the important aspects in this paper. Particularly in the software design, the system flow chart, the system cycle time controls and the system parts of procedure etc. are mainly discussed.

Moreover, the system credibility and the system recovery are discussed. The credibility of the system are several aspects, the chips’ credibility, the circuit credibility, the credibility of anti-pound, the credibility of operation and safety and the system anti-interference etc. are discussed. Four methods are discussed for the recovery problem of the system in this paper, these methods have respective the advantages and shortages.

The related testing and application of the system also are discussed in the paper. The experiments which have been done include the static testing including high/low testing, vibration testing, overload testing and dynamic

testing. The system is only used in the some designing missile, which is trial application; the result of application could meet the request.

Finally, the shortages, which are exposed in the system testing and system application, are discussed; the concrete improvement and perfect opinions for these shortages also are put forward.

Keywords: Data-record system on the missile Data acquisition system

Block box Flight Recorder Recorder Single-ship computer Microcomputer Ultra-low-power Multiplex transfer switch A/D converter External memory Msp430f149 Max306 AD1674 K9F6408

目 录

第１章 引 言.............................................１

1.1选题的目的和意义...............................................１

1.2本选题研究领域历史、现状、发展趋势分析.........................１

第２章 问题的提出...........................................４

2.1各路信号特点及测试要求.........................................４ 2.2弹载数据测试系统整体测试要求...................................４

第３章 解决问题方案的提出...................................６

3.1数据采集系统的相关内容.........................................６ 3.1.1系统硬件设计的基本原则...................................６ 3.1.2系统软件设计的基本原则...................................６ 3.2数据采集系统设计的一般步骤.....................................７ 3.2.1分析问题和确定任务.......................................７ 3.2.2确定采集周期Ts..........................................７ 3.2.3系统总体设计.............................................９ 3.2.4硬件和软件设计...........................................10 3.2.5系统联调.................................................12

第４章 主要芯片的选定及其性能指标...........................13

4.1主控芯片单片机的选择...........................................13 4.2系统外部转换器AD的选择........................................14 4.3系统外部存储器的选择...........................................17 4.4系统多路开关的选择.............................................19

第５章 系统的研制...........................................20

5.1弹载数据测试系统的设计.........................................20 5.2弹载数据测试系统的系统组成.....................................20 5.3弹载数据测试电路模块方案设计...................................21 5.3.1电路模块主要功能..........................................22 5.3.2电路模块的工作原理........................................23 5.4启动控制电路方案设计...........................................23

5.5系统的软件设计.................................................24 5.５.1A/D转换的相关时序图......................................25 5.3.2外部存储器的相关时序图....................................27

5.6系统的硬件设计................................................28

第６章 系统的可靠性及抗干扰.................................30

6.1系统的可靠性..................................................30 6.1.1元器件可靠性..............................................30

6.1.2电路模块的可靠性...........................................30

6.1.3整体抗冲击可靠性...........................................30 6.1.4操作及安全可靠性...........................................30

6.1.5其它方面的可靠性...........................................30 6.2系统的抗干扰问题...............................................31 6.2.1常用抗干扰技术............................................31 6.2.2 A/D转换器的抗干扰技术....................................33 6.2.3多路开关的抗干扰技术......................................34 6.2.4接地问题..................................................35 6.2.5印制电路板的布局问题......................................36

第７章 数据测试系统的过载保护及回收问题.....................39

7.1数据测试系统的过载保护.........................................39 7.2数据测试系统的回收.............................................39 7.2.1无线电定位法..............................................39 7.2.2发烟剂法..................................................40 7.2.3飘带法....................................................40 7.2.4人工搜寻法................................................40

第８章 系统的相关实验应用及不足.............................41

8.1静态试验.......................................................41 8.1.1高低温试验................................................41 8.1.2振动试验..................................................41 8.1.3过载试验..................................................41 8.2动态试验.......................................................41

8.3系统的应用.....................................................42

8.4系统的不足.....................................................44

8.4.1系统所存在的缺陷.........................................44

8.4.2系统有待改善的方面.......................................44

总 结.....................................................46 致 谢...........................................................48 参考文献.....................................................49 附 录.....................................................51

附录A系统软件编程程序.............................................51

附录B系统电路原理图...............................................61 附录C系统电路PCB图...............................................62

第１章 引 言

1.1 选题的目的和意义

弹载数据测试系统是一个数据记录装置，用以完成弹上热电池、陀螺仪、加速度计、弹体转速波形、弹上计算机校正指令、激光探测器、舵机指令和解码器等弹飞行姿态的状态以及控制与执行数据的实时记录。

该数据测试系统的研究目的，是在进行在研弹的各种飞行实验过程中，时实记录弹的各种状态数据，通过这些数据来了解弹在飞行实验过程中弹上各分系统的工作状态、弹上计算机的工作时序及弹的整体状态等相关参数和性能指标，通过这些数据来快速分析和排除弹在飞行过程中可能出现的故障，从而为弹设计者提供第一手在研弹的飞行实验资料，缩短弹的研制周期，降低弹的研制费用，具有很高的社会效益和经济效益。

1.2 本选题研究领域历史、现状、发展趋势分析

弹系统有关弹道动态的测试方法有很多，其主要有两种方法，一种是遥测法，一种是弹载存储测试法俗称黑匣子（Black Box）。

无线电遥测法多用于战略弹、远程弹等大型弹的动态数据测试。它分为单目标遥测系统和多目标遥测系统。对于多目标遥测系统，美国在1990年和1991年在国际遥测年会上发表了两篇与此有关的文章，此后四五年来未见新的报道，但近期去美国访问学者得到证据表明美“莱特实验室军品指导部”（Wright Laboratory Armament Directorate 简称WL/MNSI）研制了两种调制系统设备。一种是单纯频分制，用FSK调制，每个目标2MHz,共可测48个目标。另一种是频分加码分系统，4个点频。每个点频20MHz带宽，调制上24个码分多址信号，总共可测96个目标，这两种系统均已研制成功，现正准备在F-16飞机上和MK82炸弹上试验，试验后再提交正式产品，此技术代表了当今国际遥测最新发展动向和最高技术水平。另外，据报道美国新泽西某军械战斗部研究中心研制的用于炮弹引信的遥测仪，用来测试弹丸外弹道的三维加速度，该遥测仪可经受10000g的加速度过载。

近年来，国外又出现了所谓“精密跟踪遥测系统”。其主要思路是在提高遥测设备角跟踪精度的基础上，在遥测地面站上加装上行发射天线，增加遥控和伪码测距功能。使遥测地面站扩展成微波统一测控系统。美国NASA/戈达德国航天中心/沃劳普斯

岛飞行试验设备就是实施该设想的第一个尝试者，我国也做出了类似的设备。此种设备使遥测地面站具备了遥控、测角、测距和GPS/GLONASS定位、定时等功能，使遥测与外测的结合更加紧密。

兵器遥测技术的发展是与兵器的发展紧密相联的，兵器遥测技术在新型制导和智能武器中的作用得到了较好的发挥，正向着更快、更准、更方便使用的方面发展，新型武器对遥测技术的需求，迫切需要遥测技术向遥、外测结合和多传感器数据融合的方向发展，因此，多学科的结合将是遥测技术发展的特征。

遥测技术无论在国外还是在国内都取得了飞速的发展，由前期的单目标遥测到近几年的多目标遥测，由以前的单参数遥测到现在的多参数遥测等，遥测技术的应用也越来越广泛，现在在航空航天都得到了广泛的应用，并且遥测的精度也越来越高；但是，遥测设备的成本相对较高，这就阻碍了遥测技术的进一步广泛应用。尤其是在研制中近程较小型号弹时，使用昂贵的遥测设备进行监测实验弹，会使研制费用成倍增加，经济效益极差。在这种情况下，弹载存储测试技术便成为首选。

弹载存储测试技术俗称弹上黑匣子，学名叫飞行参数记录器，主要由飞行参数采集装置、信号储存与读出装置和辅助装置三部分组成。它的主要功能是将飞行中某段时间内的参数，诸如高度、速度、航向、倾向等工作情况记录并转换成数字或电信号保存下来，供分析、判断飞行事故或弹体的各项参数。

20世纪50年代，美国、苏联等国开始将“黑匣子”用于民航和军用飞机后，它的作用几乎没有受到过动摇。曾经有读者认为“黑匣子”只是和普通录音类似的东西，提出既然飞机上能装“黑匣子”，为何不装个摄像机？这种想法是富有想象力的。但就目前来看，出于安全和技术的需要，“黑匣子”是必须装在飞机机体内的，普通摄像机无法适应这种工作环境，而且摄像机只能记录图像和声音两种信号，无法完成记录各项飞行参数、保存发动机的工作信息等多项任务。

随着黑匣子技术的不断完善和成熟，弹上黑匣子国外从70年代末期开始研究，在80年代有许多这方面的报道，并达到了很高的水平，例如美国桑迪亚国家实验室的福兰克等人研制的比例缩小模型测试仪，是一个微型可重复使用的瞬时记录仪，尺寸为Φ4″x20″,可经受并记录4000g的加速度。

在国内，兵总212所，南京理工大学，203所等单位也相继开展了弹上存储测试技术的研究工作。212所在“75”期间完成了弹丸撞击混凝土靶板的冲击加速度测试

技术研究，已取得初步成果。另外，太原理工智能仪器教研室已研制出第一、二代弹数据记录装置，该装置已多次成功地应用于某反坦克弹地面联试和靶场弹的有控飞行试验中，为弹系统分析提供了大量数据。其中第一代弹黑匣子还存在一定的缺陷，比如不能识别启动信号，易造成误启动，不能根据需要改变采样频率等。但第二代相关的缺陷都有所改进或完善。华北工学院也已研制出了相关产品并进行了相关实验。据载人航天工程飞船系统总设计师张柏楠透露，神舟飞船也载有“黑匣子”，神舟一号到五号上的“黑匣子”，是1994年研制的，存储容量只有10兆字节。而“神六”现在的黑匣子不仅存储量比原来大了100倍，而且数据的写入和读出速度也提高了10倍以上，体积却不到原来的一半。

在人们的印象中，“黑匣子”的概念一直是和飞机，尤其是客机联系在一起的。其实，随着技术的不断完善和发展，“黑匣子”或者说类似于“黑匣子”的各种记录装置应用范围越来越广，现在已不仅仅局限于飞机上，已被广泛应用到军用飞机、卫星、潜艇、海运、铁路运输、缉毒、消防甚至医疗手术等多个领域。另据报道，北京市部分长途公交车上都已安装上了黑匣子。随着黑匣子的广泛应用，人们对黑匣子技术的要求也越来越高，黑匣子将朝着更可靠、体积更小、更方便、更智能的方向发展。

第２章 问题的提出

任何系统的研制都是为了满足实际应用的需要，该系统主要是为了满足目前某在研末修迫弹的需要而设计的。由于系统所处环境的特殊性，因此该系统除了具有普通数据测试系统所应有的功能外，它还必须能够满足一定的特殊要求，如：该系统的体积不能太大（受弹体空间的限制）、系统能够抵抗一定的过载（弹出炮口和弹落地时具有较大的过载）等。下面仅从所记录信号的特性来提出对数据测试系统的要求，通过对所记录信号特性的分析和了解，初步确定数据测试系统的研制方向和大体方案。

2.１各路信号特点及测试要求

(1)一路GB4电池点火信号，波形为单个正弦脉冲信号，其脉冲宽度不少于1ms (2)一路区域信号，波形为正极性阶跃直流电压信号

(3)一路光电转换信号，波形为正极性等宽调幅方波信号，其周期为50ms,脉冲宽

度为40ms

(4)一路归一化信号，波形为正极性等宽调幅方波信号，其周期为50ms,脉冲宽度

为40ms

(5)四路舵机电磁铁输入信号，每路均为双极性脉冲调宽方波信号，其周期均大

于50ms，脉冲宽度均不小于4ms

(6)二路导引头修正信号，每路均为双极性正弦调制方波信号，其周期均大于

50ms，脉冲宽度不小于40ms

(7)三路位置信号，分别为上位置信号，下1位置信号，下2位置信号，每路均为正极性脉冲调宽方波信号，其周期均大于100ms，脉冲宽度均不小于10ms (8)二路舵偏角传感器信号，每路均为正极性脉冲调宽方波信号，其周期均大于

50ms，脉冲宽度均不小于4ms

(9)一路导引头解锁信号，波形为负极性单个方波，其脉冲宽度为200ms

2.２弹载数据测试系统整体测试要求

针对上面所测信号特点，可以得出系统的采样频率至少为１KHz，采样的通道数应不小于16个。

根据所测信号特性和综合考虑多方面要求，对数据测试系统提出如下整体测试要求：

(1)弹载数据测试系统各通道数据信号记录时间不少于150s (2)弹载数据测试系统各通道数据信号采样频率不少于1KHz (3)弹载数据测试系统至少有16个数据采样通道

(4)弹载数据测试系统要记录所有规定的信号，且不影响和干扰弹体原系统的正常工作

(5)在断电情况下，弹载数据测试系统所记录数据必须仍然能够保存一段时间（暂定30天）

(6)弹载数据测试系统的抗过载能力至少可达到几千个g

(7)弹载数据测试系统必须自身携带工作电源，且更换电池后理论上系统可重复利用

(8)弹载数据测试系统的总重量不能太大（初步定为不大于1.5千克） (9)弹载数据测试系统的外形尺寸为Φ70mm×50mm (10)工作温度为-20℃- +70℃

根据以上所要记录的信号及其信号特性，结合系统所提整体测试要求，下面将主要讨论设计该系统所采用技术方案等问题。

第３章 解决问题方案的提出

根据以上记录信号的特性及整体测试系统的要求，下面将主要讨论数据采集的相关内容及所选系统主要芯片等相关内容。

3.1应用系统设计的相关内容

系统设计的基本原则：对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的；但是，由于对于任何数据采集系统都是由硬件和软件这两个基本部分组成，因此系统设计所应遵循的一些基本原则基本上是相同的。下面将从硬件设计和软件设计两方面介绍数据采集系统设计应遵循的基本原则。

3.1.1硬件设计的基本原则 (1)经济合理

在系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到比较高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是一个产品争取市场的主要因素之一。主控芯片和外设是硬件投资中的一个主要部分，应在满足速度、存储容量、兼容性、可靠性及稳定性的基础之上，合理地选用主控芯片和外设，而不是片面追求高档主控芯片以及外设。当用低分辨率、低转换速度的数据采集系统可以满足工作上的要求时，就不必选择高分辨率、高转换速度的芯片。

(2)安全可靠

选购芯片要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、过载、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定，工作可靠。要在超量程和过载保护，保证输入、输出通道能够正常工作。要保证连接件的接触可靠。

(3)要有足够的抗干扰能力

有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输入阻抗下的防止漏电等。

3.1.2软件设计的基本原则 (1)结构合理

程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在程序编写时，要尽量利用子程序，使得程序的层次分明，易于

阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。

(2)操作性能好

操作性能好是指使用方便。这一点对数据采集系统来说是很重要的。在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。因此，在程序设计中，应该采用各种图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。

(3)具有一定的保护措施

系统应该设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。

(4)提高程序的执行速度

当程序的执行速度是程序设计的主要矛盾时，可以采用下面的方法来提高程序的执行速度。(1)当程序为汇编语言程序时，指令尽可能采用零页寻址方式，少用或不用间接寻址指令。(2)当进行单通道数据采集时，不要将通道选择指令包括在循环体内。(3)尽量采用高级语言与汇编语言混合编程，以发挥各种语言的特点，提高程序的运行速度。

3.2数据采集系统设计的一般步骤

数据采集系统的设计，虽然随采集对象、设备方式等而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的，一般有以下几步:

3.2.1分析问题和确定任务

在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。这一步对于能否既快又好地设计出一个数据采集系统是非常关键的，设计者应花较多的时间进行充分的调研，其中包括翻阅一些必要的技术资料和参考文献，学习和借鉴他人的经验，这样可使设计工作少走弯路。

3.2.2确定采样周期Ts

采样周期Ts决定数据的质量和数量。Ts太小，会使采样数据的数量增加，从而

占用大量的内存，严重时将影响计算机的正常运行；Ts太大，采样数据减少，会使模拟信号的某些信息丢失，使得在由采样数据恢复模拟信号时出现失真。因此，必须按照采样定理来确定采样周期。

采集定理：设有连续信号x(t),其频谱为X(f),以采样周期Ts采得的周期Ts采得的离散信号为xS(nTS)。如果频谱X(f)和采样周期满足下列条件：

（1） 频谱X(f)为有限频谱，即当|f|≥fC(fC为截止频率)时，X(f)=0

1/(2*fc)或2fC≤1/T（2） Ts=fS s=

则连续信号

x(t)=

n= ∞

∑xS(nTS)*sin[

+∞

ππ

(t nTS)]/(t nTS) TSTS

条件（1）的物理意义是：连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，即信号的频率f在0≤f≤fC之间。

条件（2）的物理意义是：采样周期Ts不能大于信号周期Tc的一半。 采样定理是指导确定采样频率的基本原则，只要严格遵守采样定理，就能不失真地把采样信号还原成模拟信号。但是在高速目标测量或长时间测量的数据采集系统中，将产生一大批数据，需要很大的数据存储空间。由于单片机的数据存储空间是有限的，所以，它的大小将对数据采集系统的工作造成影响。下面将介绍三种采样技术，可用来解决高速目标测量或长时间测量中数据存储空间不足的问题，并使测速精度在测量过程中近似不变。

（1）常规采样

设模拟信号的最高频率为fDmaz，根据采样定理，为使采样后的采样信号能不失真地还原成原来的模拟信号，采样频率必须大于模拟信号的最高频率的2倍，若采样频率用fS表示，则

fS=KfDmaxt

由于数据采集和数据处理是分开进行的，故需要将采样后的数据保存起来，这就需要一个足够大的数据存储空间来保存所有的采样数据。

设测量时间为t,采样周期为TS,则所需的数据存储容量为 S=

tt

==fSt=KfDmaxt TSfS

由上式可以看出，模拟信号的频率越高，测量时间越长，所需的数据存储空间就越大。然而，单片机的数据存储空间总是有限的，在高速数据采样或长时间数据采集时，可能出现数据存储空间不足，不能记录所有采样数据的问题，这将影响数据采集系统的采集范围。为了解决这个问题，可采用间歇采样技术。

（2）间歇采样

间歇采样是指采样是间歇的，只要合理地调整采样时间段tSi与间歇时间段tGi的比例关系，就能记录所有的采样数据。

间歇采样时，在时间段tGi不进行采样，未记录下模拟信号的任何信息。由此可见，间歇采样是以丢失模拟信号的部分信息为代价来解决数据存储空间不足的问题的。但是，可以将采样段数据分得尽可能多，使得各采样时间段和间歇时间段都比较小，来达到虽然丢失了间歇段的信息，也不影响后期的数据处理的目的。

（3）变频采样

变频采样是指采样过程中，采样频率可以变化。它是为使数据采集过程中测速精度近似不变而提出的。当然，实现变频采样的先决条件，是清楚目标信号频率随时间的变化关系。

3.2.3系统总体设计

在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作: (1)进行硬件和软件的功能分配

数据采集系统是由硬件和软件共同组成的。对于某些既可以用硬件实现，又可以用软件实现的功能，要优先选用软件来实现该功能。在进行系统总体设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度可能会降低。因此，要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时，对硬件和软件进行合理的功能分配。

(2)系统A/D通道方案的确定

确定数据采集系统A/D通道方案是总体设计中的重要内容，其实质是选择满足系统要求的芯片及相应的电路结构形式，通常应根据以下方面来考虑：

1模拟信号输入范围也就是输入量程、被采集信号的分辨率； ○

2完成一次转换所需时间； ○

3模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少； ○

4模拟信号传输所需的通道数； ○

5多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少； ○

6在保持期间允许的电压下降是多少； ○

7通过多路开关及信号源串联电阻的保持器旁路电流引起的偏差是多少； ○

8所需精度(包括线性度、相对精度、增益及偏置误差)是多少； ○

9当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围，在什么条件下允许有漏码； ○

10各通道模拟信号的采集是否要求同步； ○

11所有的通道是否都使用同样的数据传输速率； ○

12数据通道是串行操作还是并行操作； ○

13数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作； ○

14系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少； ○

15电源中断是否可能损失有关芯片(对CMOS的多路开关是安全的，○因为当电源切

断时，多路开关是打开的；而对结型FET多路开关是接通的，因此有损坏芯片的可能性)。

3.2.4硬件和软件的设计

在系统总体设计完成之后，便可同时进行硬件和软件的设计。具体工作如下： (1)硬件设计

硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。不同的微型机，其硬件设计任务是不一样的，以下是采用单片机的硬件设计过程。

① 明确硬件设计任务

为了使以后的工作能顺利进行，不造成大的返工，在硬件正式设计之前，应细致地制定设计的指标和要求，并对硬件系统各组成部分之间的控制关系、时间关系等做出详细的规定。

② 尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图

绘制系统的逻辑图、电路图按照由简到繁、由整体框架到局部细节的原则一步一步进行，这一过程的实现主要是通过在以后的实验和调试中不断地对逻辑图、电路图进行修改，从而逐步达到完善。

③ 制作电路和调试电路

按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试，通过调试，找出硬件设计中的毛病并予以排除，使硬件设计尽可能达到完善。调试好之后，再设计成正式的印刷电路板。

(2)软件设计

软件设计是系统设计的重要任务之一。在数据采集系统中，由于其任务不同，计算机种类繁多，程序语言各异，因此没有标准的设计格式或统一的流程图，这里只能对软件设计的过程及相同的问题作一介绍。

① 明确软件设计任务

在软件正式设计之前，首先必须要明确设计任务。然后再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务，细分成若干个相对独立的小任务，这就是软件工程中的“自顶向下细分”的原则。

② 按功能划分程序模块并给出流程图

将程序按小任务组织成若干个模块程序，如初始化程序、自检程序、采集程序、数据处理程序等，这些模块既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。

③ 程序设计语言的选择

在进行程序设计时，可供使用的语言有两种：汇编语言和高级语言(如BASIC,C语言)，或者是混合语言编程。采用汇编语言编程能充分发挥计算机的速度，可以对数据按位进行处理，可以开发出高效率的采集软件，但是通用性差且数据处理麻烦和编程困难。采用高级语言和汇编语言进行混合编程，既能充分发挥高级语言易编程和便于数据处理的优点，又能通过汇编程序实现一些特定的处理(如中断、对数据移位等)。这种编程方法在数据采集和处理中，已经成为重要的编程手段之一。

④ 调试程序

程序调试是程序设计的最后一步，同时也是最关键的一步。在实际编程中，即使有经验的程序设计者，也需要花费总研制时间的50%用于程序调试和软件修改。

3.2.5系统联调

在硬件和软件分别调试通过后，就要进行系统联调。系统联调通常分两步进行。首先在实验室里，对已知的标准量进行采集和比较，以验证系统设计是否正确和合理。如果实验室试验通过，则到现场进行实际数据采集试验。在现场试验中，测试各项性能指标，必要时，还要修改和完善程序，直到系统能正常投入运行时为止。总之，数据采集系统的设计过程是一个不断完善的过程，设计一个实际系统往往很难一次就设计完善，常常需要经过多次修改补充，才能得到一个性能良好的数据采集系统。

第４章 主要芯片的选定及其性能指标

系统芯片的选择最基本的原则是在满足各项基本性能指标的情况下，所选芯片的价格最低。当然在实际的芯片选用过程中，还要考虑各方面的因素，比如芯片自身工作的稳定性，自身的抗干扰能力及抗高低温能力等。下面针对所做系统的要求，把所选芯片的相关情况略述如下。

4.1主控芯片单片机的选择

根据系统要求及经济性，该系统暂选TI公司的MSP430系列单片机，该系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6µs的时间内激活到活跃的工作方式。

该型号单片机具有以下性能特点： （1）低电压、超低功耗

该型号单片机在1.8V-3.6V电压下，在1MHz的时钟条件下，耗电电流(在0.1－400µA之间)因不同的工作模式而不同，在2.2V,4kHz条件下，其消耗电流为2.5µA；在2.2V,1MHz条件下，其消耗电流为160µA。

（2）强大的处理能力

该单片机为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125ns。

（3）系统工作稳定

上电复位后，首先DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

（4）方便高效的开发环境

MSP430F149是flash型，它具有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG

调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器。开发语言有汇编语言和C语言。

（5）MSP430F149内部结构特性

可配合外部器件可构成单斜边A/D转换器； 有12位200kbps的A/D转换器，自

cc(64)ssss2/A21/A10/A0/NMIKSI/TDINOUT/TBOUTH/ACLK/SMCLK

VP1.5/P1P1.P2.0P2.1/TAP2.2/CAOP2.3/CP2.4/CP2.P2.6/ADP2P3.P3.1/P3.2/P3.3/P3.4/图4-1 MSP430F149引脚图

6543210TXD1RXD0

带采样保持器； 具有内部温度传感器；

具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A, Timer_B; 有两通道串行通信接口可用于异步或同步(软件选择UART/SPI模式)； 具有硬件乘法器；

有多达60KB FLASH ROM和2KB RAM; 可串行在系统编程；

具有安全熔丝的程序代码保护；

（6）该器件的运行环境温度为-40℃－+85℃；

（7）该芯片的引脚图说明如下图4-1，其引脚功能可参考相关资料。

4.2外部转换器AD的选择

AD1674是美国模拟器件公司（Analog Device）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器，其片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的８位或16位微处理器相连面无须附加逻辑接口电路，且能与COMS及TTL电平兼容。另外芯片内包含有高精度参考电压源和时钟电路，使它们能在不需任何外部电路和时钟信号的情况下完成A/D转换功能，使用极为方便。

该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，转换速度更快，工作性能（尤其是高低温稳定性）

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