带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

代

TP216 学密号 级 1013421585 公开 分类号

题（中、英文）目 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

Research and Realization of Multiple

作

者

姓

名

学科门Communication Interfaces Multiple Channel for Data Sample & Record Instrument 张旭 指导教师姓名、职

提交论文日

声 明

西安电子科技大学

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秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

本人签名：_______________ 日期 _______________

西安电子科技大学

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本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。

（保密的论文在解密后遵守此规定）

本学位论文属于保密，在___年解密后适用本授权书。

本人签字：_______________ 日期 _______________

导师签字：_______________ 日期 _______________

声 明

摘 要 I

摘 要

数据采集是现代测控系统的关键环节之一。本文针对常见的工业控制场合的压力、流量、液位、位移、频率、温度等数据采集需求，研制了一套多接口、多通道、高速度数据采集记录仪，可以实现对多种模拟信号的采集，以较低的成本最大程度地满足各种工业控制场合多通道、高速、高精度的数据采集需求。

系统分为数据采集板和ARM底板两部分，分别完成数据采集和数据的显示、处理、保存和传输的任务，两者通过RS232或USB总线进行通信。本课题主要研究数据采集板的硬件和软件设计。数据采集板以片内集成有12位A/D转换器的MSP430F5529芯片为核心，以固定通道的方式，对0-10mV/1-100mV/0-5V/1-5V电压、0-10mA/4-20mA电流、Pt100热电阻、K型热电偶等输入信号进行调理，并完成4-20mA电流信号的输出、开关量的控制输出。在软件设计中，完成了信号采集、数据处理和基于Modbus协议的数据通信等功能的程序编写。最后对数据采集板的硬件和软件进行了调试，并联合ARM底板进行了综合调试。

该采集记录仪的接口多，通道多，速度高、成本低，具有一定的现实意义。

关键词：数据采集 多通道 高速度 热电阻 热电偶 4-20mA Modbus

II Abstract

Abstract

Data acquisition is one of the key points in modern measure and control system. For the purpose of the data acquisition demand in industrial environment such as pressure, flow, liquid level, displacement, frequency, temperature, switch signals, a multi-channel, multi-communication interface, high speed data acquisition system is developed.

This system can be divided into two parts: data acquisition board and ARM board. Data acquisition and data monitor, process, save and transmission are dealt respectly. The two boards communicate in Modbus protocol on RS232 bus. This paper domains in the design of hardware and software of the data acquisition board. With the MSP430F5529 as the core, the data acquisition board condition and sample the input signal ,such as 0-10mV/1-100mV/0-5V/1-5Vvoltage, 0-10mA/4-20mAcurrent, Pt100 RTD, K Thermal couple, in a fix channel mode, and output the 4-20mA current signal and switch signal. The software deals with data sampling and processing and transmitting. In the end, a hardware test and software debug are performed, before a system combination test.

The topic provides a feasible and reliable solution for the data acquisition, and it is of great practical significance.

Keyword: Data acquisition Multiple channel High speed RTD Thermal

couple 4-20mA Modbus

目 录 III

目录

第一章 绪论 ............................................................................................................... 1

1.1

1.2

1.3

1.4 课题研究的背景 .......................................................................................... 1 数据采集系统的国内外研究现状 ............................................................. 1 课题研究的意义 .......................................................................................... 2 本课题的主要研究内容.............................................................................. 3

第二章 系统总体设计 .............................................................................................. 5

2.1 系统的需求和性能指标.............................................................................. 5

2.2 系统总体方案设计 ...................................................................................... 6

2.3 系统元器件选型 .......................................................................................... 7

2.3.1 单片机选型 .......................................................................................... 7

2.3.2 系统供电方式 .................................................................................... 11

2.3.3 运算放大器、仪表放大器选型 ....................................................... 12

2.3.4 其它芯片选型 .................................................................................... 13

2.4 精度的衡量和计算 .................................................................................... 13

2.4.1 精度衡量的几个概念和指标 ........................................................... 13

2.4.2 数据采集板的精度计算 ................................................................... 15

2.5 本章小结..................................................................................................... 15

第三章 系统硬件电路设计 .................................................................................... 17

3.1 MSP430F5529最小系统设计 .................................................................. 17

3.2 电源系统..................................................................................................... 18

3.3 电流信号调理 ............................................................................................ 18

3.3.1 电流输入 ............................................................................................ 18

3.3.2 电流输出 ............................................................................................ 20

3.4 电压信号调理 ............................................................................................ 21

3.5 热电阻测温 ................................................................................................ 22

3.5.1 热电阻简介 ........................................................................................ 22

3.5.2 热电阻的测温原理 ........................................................................... 22

3.5.3 热电阻的方案 .................................................................................... 24

3.5.4 结论 .................................................................................................... 26

3.6 热电偶测温 ................................................................................................ 26

3.6.1 热电偶简介 ........................................................................................ 26

3.6.2 热电偶的测温原理 ........................................................................... 27

3.6.3 热电偶测量的难点 ........................................................................... 29

3.6.4 实用热电偶解决方案 ....................................................................... 32

3.6.5 结论 .................................................................................................... 37

3.7 开关量输出 ................................................................................................ 37

3.8 本章小结..................................................................................................... 38

第四章 系统软件设计 ............................................................................................ 39

IV 目录

4.1 软件程序总体设计.....................................................................................39

4.2 初始化模块的程序设计 ............................................................................40

4.3 数据采集子程序的设计 ............................................................................40

4.3.1 电压/电流采集子程序的设计 ..........................................................40

4.3.2 热电阻采集子程序的设计 ................................................................41

4.3.3 热电偶采集子程序的设计 ................................................................41

4.3.4 4-20mA信号输出子程序的设计 .....................................................42

4.3.5 开关量输出子程序的设计 ................................................................42

4.4 数据存储读写子程序的设计 ....................................................................42

4.5 通信子程序的设计.....................................................................................43

4.4.1 Modbus协议简介 ...................................................................................44

4.4.2 Modbus协议的通信数据格式 ..............................................................44

4.4.3 Modbus通讯协议的实现 ......................................................................46

4.6 USB接收中断子程序的设计 ...................................................................48

4.7 本章小结 .....................................................................................................50

第五章 系统联调及测试 .........................................................................................51

5.1

5.2

5.3

5.4 硬件调试 .....................................................................................................51 软件调试 .....................................................................................................52 系统联调 .....................................................................................................56 本章小结 .....................................................................................................57

第六章 总结与展望 .................................................................................................59

6.1

6.2 全文工作总结 .............................................................................................59 未来工作展望 .............................................................................................59

致 谢 .............................................................................................................................61

参考文献 ......................................................................................................................63

第一章 绪论 1

第一章

1.1 绪论 课题研究的背景

随着电子信息技术的发展，在工业生产、国防建设、科学研究等领域中，测控技术正发挥着越来越重要的作用。但是，外部世界的大部分信息如温度、压力、流量、液位、位移、频率等连续变化的物理量，是不能直接被计算机识别和处理的。要用计算机对这些信息进行处理，就必须使用传感器等把非电的物理信号转换成电信号（电压，电流或电阻性质的信号），并调理成电压信号，以一定的速率对其进行离散采样、量化编码等，转化为数字信号，才能被计算机识别和处理，这个过程就是数据采集[1]。

数据采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景[2]。

随着计算机技术的飞速发展和推广，数据采集系统得到了广泛应用。在工业生产过程中，应用这一系统可对工业现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供重要信息。在科研中，应用数据采集系统可获得大量的实时数据，是研究物理过程的有力工具。在雷达、地震、气象预报、航空航天、通信等领域里，也具有重要的作用[3]，这些信号具有数据速率高、实时性强、数据量大、处理复杂、运算量大的特点，更需要高精度、高速度、高实时性的数据采集系统。因此，数据采集的研究一直是工程实践中一个相当重要的领域。

1.2 数据采集系统的国内外研究现状

在工业场合，采集的物理量越来越多，精度和速度等要求不断提高，解决采集数据传输速度慢、通道少等难题，进行快速、准确、大数据量的数据采集与处理，成为数据采集系统发展的限制因素。

在目前的数据采集产品市场上，国外一些知名企业如美国安捷伦（Agilent）、美国国家仪器（NI）、吉时利（Keithley）、日本横河（Yokogawa）、美国福禄克（Fluke）、泰克（Tektronix）、林可（LINK）、古尔德（Gould）、爱得万（Advantest）等公司仍然占据着强势的地位[4]。

2 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

国内和台湾不少企业也纷纷崛起，如浙大中控、凌华科技、研华科技、和利时、拓普测控等，都在迅速崛起，研制了各式产品，除低端市场以外，还占领了部分中高端市场。

这些产品在爆炸检测、快速生产过程（如石油化工过程）、医疗设备（如CT 核磁共振）和变电站自动化等领域都有非常重要的应用，但较高的价格是阻碍它普及的一个重要因素。

另一方面，数据采集记录仪由采用SoC 等控制芯片、RS485 双绞线等，向便携化、低功耗，通用化、网络化方向发展，支持多种接口，在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用[2]。

图1.1数据采集仪

1.3 课题研究的意义

在工业生产制造和科学研究中，人们经常需要获取目标的各种信息。数据采集纪录仪能够通过不同的传感器获取温度、压力、流量、速度、位移等各种物理量，并将这种模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号，经过对数据的分析处理之后能够显示信号波形、存储和输出打印等。因此数据采集仪扮演着重要的角色。

随着计算机技术和半导体技术的发展，数据采集仪也得到了极大的发展，许多高速度、高分辨率、大存储量的高性能数据采集仪不断的涌现出来。目前市场上的数据采集仪器种类繁多，性能各异，价格也相差悬殊。通常性能较高的数据采集系统，其售价也非常昂贵，而价格便宜的却在速度、精度上达不到要求，另

外还有一些数据采集仪的体积非常大，不易携带，比如西安新敏科技有限公司的

第一章 绪论 3 XM4016无纸记录仪，价钱达二千多元，但记录速度最快只有1秒，而且存储容量只有256M，在有些场合不能满足需求。

因此，本课题的目的是研制出一款低成本、高速、大存储容量、高性能的多通道的数据采集记录仪，结合工业现场的数据采集的要求，制定了仪器的性能指标，可以1ms把各个通道采集一遍，该仪器具有存储容量可扩展，且接口的兼容性比较好，采用LAN、USB、等多种连接方式，更易于与计算机进行数据交换和远程传输、控制与监测。

1.4 本课题的主要研究内容

在工业和农业生产中，常见的模拟量测量参数有压力、液位、流量、位移、频率、温度等，数字量测量参数有开关量、脉冲量[2]。其中压力、液位、流量、位移、频率这几种物理量通常直接由变送器提供标准的4-20mA电流或1-5V电压信号，温度信号通常通过热电偶、热电阻等方式测量。本课题目标是研制一套能对不同类型输入信号进行采集的便携式数据采集仪器，能够以较低的成本最大程度地满足各种工业控制场合多通道、高速、大存储容量、高精度的数据采集需求。

本课题的主要研究内容如下：

(1) 在总结国内外数据采集系统的研究现状的基础上，论述了本课题研究的意义。对多功能数据采集控制系统的功能和需求方案进行了详细的分析，提出了控制系统的总体设计方案，分析了课题中的难点和关键点所在，即多通道、高速采集、和高速传输、大量存储。给出了解决的思路和方法，为具体的设计提供了宏观的指导。

(2) 利用高精度器件、软硬件协同设计思想、电磁兼容设计思想等，完成硬件电路的设计。在5 路模拟量输入电路的设计上，主要考虑了4-20mA电流、0-5V/1-5V电压、0-10mV/1-100mV电压、热电偶、热电阻五种信号类型的输入，实现上述5种信号的采集。在开关量控制电路的设计上，实现8 路开关量输出。另外包括1 个4～20mA 电流输出、RS232 接口和USB接口电路。

(3) 根据采集控制要求，采用模块化的思想，用C 语言对数据采集板的软件进行编程，包括通用模拟量采集、4-20mA电流输出、开关量输出、串口通讯、Flash保存等模块的程序设计。其中通讯采用RS232和USB (Universal Serial Bus)，保证系统具有良好的兼容性和较高的传输速率。

(4) 对整个系统进行硬件检测和软件集成测试，对出现的问题进行了分析和总结，给出了具体的原因与解决方案。分析了系统的的精度和不确定度，保证系统的功能和性能等指标达到设计的要求。

4 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

第二章 系统总体设计 5

第二章

2.1 系统总体设计 系统的需求和性能指标

在实际工业生产中，常见的模拟量参数有压力、液位、流量、位移、频率、温度等，数字量测量参数有开关量、脉冲量。其中压力、液位、流量、位移、频率这五种物理量通常直接由传感器和变送器提供标准的电流或电压信号，温度信号通常由热电偶、热电阻等传感器测量。这些信号中，温度变化比较慢，所以对于热电偶、热电阻等传感器的测量，对于采集速度的要求就比较低，最快0.5秒采集一次就可以了。而电压、电流等信号变化速度很快，采集速度要求比较高，甚至每毫秒采集一次。还有传输速率和处理速率的问题，采集记录仪必须具备实时处理和传输采集到的数据的能力。此外，存储容量也是个问题，一般采集记录仪的存储容量为256M或512M，如果快速采集很快就会存满，而且无法外接扩展存储器。对于热电偶信号，一般采用专用的温度传感器或专用IC芯片进行冷端补偿，这样不仅增加了程序的开销也增加了成本。对于热电阻信号，一般采用电桥把电阻变换成电压值，但电桥法得到的电压是非线性的，故降低了精度。

市场上很多数据采集记录仪采用万能通道，即通过软件配置某通道的功能，一般都是通过模拟开关来实现通道切换的，但有些情况下模拟开关不能被看作理想器件，它导通情况下的阻抗Ron一般为10Ω~1kΩ，对自动数据采集的信号传输精度或程控增益放大的增益影响较明显,而且Ron通道随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化,因而其影响后期难以修正，如果用在热电阻测温，这甚至是不能容忍的，所以在本系统中，采用固定通道。

本课题的任务是针对工业监测控制场合的数据采集需求，采用固定的通道，基于二极管冷端补偿的热电偶温度测量和基于恒流源的热电阻温度测量，以相对较低的成本，最大程度地满足各种工业现场多通道、高精度的数据采集需求。

为完成对工业现场多种信号的采集，可以采插入多块数据采集板，并通过软件配置好相应的通道，实现对上述多种信号的采集，并将采集结果交由ARM底板进行显示和处理。具体的功能和指标描述如下：

(1) 实现对0-5V 、1-5V 、0-20mV 、0-100mV电压、0-10mA 电流、4-20mA

电流等信号的采集测量；利用热电偶、热电阻进行高精度的温度测量；

(2) 5路物理量同时采集，若采集任务改变，只需重新设置采集命令；

(3) 8 路数字量全隔离输出控制

(4) 通过RS232或USB总线与ARM底板通讯，通讯协议具有良好的兼容性；

(5) 实现采集的配置信息的保存，下次开机或复位后自动依照之前的功能设

6 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

置进行采集；

(6) 电压/电流的采集精度均达到0.3%，热电阻采集精度达到±0.2°C，热电偶

采集精度达到±0.5°C；

(7) 采集速度达到5 通道/ms。

(8) 存储容量可以通过SD卡或者U盘扩展。

2.2 系统总体方案设计

根据系统的需求和性能指标，用单个处理器（无论是MSP430单片机或者是ARM）很难完成，所以本系统将信号输入输出和数据处理、显示、传输分开，分别由数据采集板和ARM底板完成，数据采集板包括电源模块、输入输出模块、信号调理模块、MSP430F5529单片机最小系统以及通信模块，主要负责数据的输入、采样，并经过MSP430F5529单片机简单处理后送到ARM底板。ARM底板由S3C6410最小系统、显示模块、数据存储模块、通信模块（包括LAN接口、USB接口和RS232/RS485接口），主要负责数据的处理加工、存储、传输。数据采集板和ARM底板之间的数据交互有两种方案，一种采用RS232，一种采用USB。因为RS232的速度太慢，不能保证数据的实时传输，并且抗干扰能力较差，所以在这里用USB的方式以保证通信速度。

对于一般的工业现场的数据采集，采集速度要求不是很高，因此数据采集板的设计是利用MSP430F5529片上集成的多通道12位ADC的设计思路，依次扫描、采集各个通道的信号。ARM底板采用S3C6410芯片，由运行在它上面的Linux系统及应用程序完成数据处理、数据显示、数据存储以及数据传输。系统的总体框图如下：

图 2.1 系统总体框图

下面对图中各部分进行简单说明：

第二章 系统总体设计 7 MSP430F5529：德州仪器（TI）生产的MSP430F5529单片机片内集成的12位ADC有12个外部通道，转换速度达到200bps，可以较好地满足系统要求。同时由于它内部集成了USB模块，所以保证了与ARM底板进行高速的数据交换，确保了系统的实时性。这样在减少了相关外围电路的同时也简化了编程，并提高了系统的可靠性和精度。

电压信号调理：0-5V/1-5V/0-20mV/0-100mV电压信号，经过运算放大器，变到ADC的输入范围内，再由MSP430F5529单片机内部的ADC12模块转换为数字量。

电流信号调理：0-10mA/4-20mA电流信号，经过I/V变换转换为电压信号，再经过运算放大器，变到ADC的输入范围内，再由MSP430F5529单片机内部的ADC12模块转换为数字量。

热电阻/热电偶：在热电阻两端加上恒流源，然后将其两端的电压输入仪表放大器，放大到ADC的输入范围内，再进行采集；利用二极管的负温度特性作热电偶的参考结合点补偿，把补偿后的电势差输入仪表放大器，放大到ADC的输入范围内，再进行采集。

4-20mA电流输出：利用MSP430F5529单片机内部的定时器A可以很方便的产生不同占空比的PWM波，PWM波经过低通滤波器，变成相应幅度的直流电压，再经过I/V变换和输出缓冲器就得到了4-20mA电流。

报警输出：用8个N-MOS管作为8路报警输出通断的控制。

MSP430F5529单片机内部有8K RAM 和256K的Flash，对于短时间、高速的信号，可以存在RAM中或Flash中，大量、慢速的数据存储则由ARM底板完成，ARM底板同时完成存储容量的扩展功能。

2.3 系统元器件选型

此数据采集系统用到的几个主要元器件包括核心芯片MSP430单片机、系统供电方式、运算放大器、仪表放大器、电压基准源、光耦隔离、74LVC1G04等，下面根据系统的具体要求选择所需要的元器件的型号以及介绍各元器件工作性能和选择它应用于系统中的相关理由。

2.3.1 单片机选型

本数据采集系统采用的是MSP430系列的单片机，MSP430系列单片机是TI（德州仪器）公司近年来推出的一系列优秀的混合型微处理器，它不仅具有16位高效的处理器系统，还具有丰富的、功能强大的外设，其中包括许多高性能模块外设。并且它能够以极低的功耗运行，因而被广泛运用在电池供电的手持设备上。它将大量的外围模块如定时器、ADC、UART、USB和RTC等整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。这样在减少了相关外围电路的同时也简化了编程，

8 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

并提高了系统的可靠性和精度。

这里主要考虑两款高性能的5xx系列单片机MSP430F5438和MSP430F5529，下面是它们的参数对比：

MSP430F5438：

供电电压：2.2V-3.6V

Flash：256k

RAM：16k

IO口：87个

Timer A定时器：2个（5，3）

串行通信接口USCI：4个

USB：无

MSP430F5529：

供电电压：1.8V-3.6V

Flash：128 k

RAM：8+2 k

IO口：63个

Timer A定时器：3个（5，3，3）

串行通信接口USCI：2个

USB：有

此外它们还有一些共同的模块，如灵活的电源管理系统，超低功耗，快速唤醒，统一时钟系统，Timer B，ADC12有14个外部通道，2个内部通道，硬件乘法器，实时钟，DMA。由于这两个型号都能满足数据采集和简单处理的需要，所以现在主要考虑的是它与ARM底板通信的速度，在这个方面，MSP430F5529带有USB模块，显然要优于MSP430F5438的通用串行通信接口USCI。

综合以上可见:采用MSP430F5529单片机作为该系统的处理器，可简化系统电路设计、缩短系统的开发时间，同时又能提高系统性能。下面介绍单片机用到的内部模块。

2.3.1.1 单片机时钟系统与低功耗模式

时钟系统是MSP430单片机中最为关键的部件。通过时钟系统可以在功耗和性能之间寻求最佳的平衡点，在MSP430单片机中，通过时钟系统的配置最终产生三种时钟，包括主时钟(MCLK)，它是专门为CPU运行提供时钟的，MCLK配置得越高，CPU执行速度就越快；子系统时钟(SMCLK)，单片机内部某些设备需要高速时钟（如定时器、ADC等），SMCLK为这些需要高速工作的设备提供时钟源；辅助时钟(ACLK)，ACLK一般为低速设备提供时钟源，在单片机运行过程中

第二章 系统总体设计 9 一般不关闭，用于产生时钟节拍，或和定时器配合间歇唤醒CPU。时钟系统中对三种时钟不同程度的关闭，实际上就是不同的休眠模式。关闭的时钟越多，休眠越深。

图2.2时钟系统

统一标准时钟系统（以下简称UCS）可支持低功耗系统损耗和超低功耗系统消耗。包含了三个内部时钟信号，使用者可选择最合适的时钟频率以达到优化系统功耗，UCS可支持在无外部时钟源的情况下配置使用，也可以用一个或两个外部晶振，更甚可使用其它震荡器时钟源，在全软件控制的情况下。

1）UCS模块有5个时钟源：

a、XT1CLK：低/高频晶振可连接使用，（一般使用低频32768晶振）使用标准晶振、震荡器或外部时钟源，范围为（4MHz-32MHz）。

b、VLOCLK：内部非常低能耗消耗，低频率晶振，典型值为10KHz。

c、REFOCLK：内部稳定的低频晶振，典型值32768Hz，可以作为锁频坏控制FLL的比较时钟源。

d、DCOCLK：内部DCO，可用于FLL使其稳定运行。

e、XT2CLK：可选高频晶振时钟。可选用标准晶振，振荡器或外部时钟源，范围（4MHz-32MHz）,XT2CLK可作为FLL的比较时钟源。

2）UCS模块可提供三个时钟信号为MCU使用：

10 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

a、ACLK：辅助系统时钟，ACLK可由软件选择（XT1CLK、VLOCLK、REFOCLK、DCOCLK、DCOCLKDIV）中5个时钟源之一，当有效时，XT2CLK和DCOCLKDIV可被分频1，2，4，8，16或32倍后使用，ACLK也能被1，2，4，8，16或32分频为ACLK/n和ACLK使用，可在外部IO口中输出频率值，ACLK可由软件选择用做独立外设模块，在低功耗模式下活动。

b、MCLK：主系统时钟，可选择（XT1CLK、VLOCLK、REFOCLK、DCOCLK、DCOCLKDIV）中5个时钟源之一,如果XT2CLK有效时也能选择使用。DCOCLKDIV是DCOCLK频率分频1，2，4，8，16或32后得到，在FLL模块中MCLK能被分频1，2，4，8，16或32。MCLK用于MCU和整个系统运行。

c、SMCLK：辅助系统时钟，软件可选时钟源（XT1CLK, REFOCLK, VLOCLK, DCOCLK, DCOCLKDIV）当XT2CLK有效时也可选用，SMCLK可由软件选择用做独立外设模块，时钟源分布图如图2.2所示，具体参照MSP430F5X系列的USER GUIDE。

2.3.1.2 ADC12

ADC12模块是一个转换速率高达200ksps、采样时间可编程的12位逐次逼近型模数转换器。由12位t的SAR核、采样保持电路、多路开关、参考电压产生与选择电路、时钟选择电路、采样与转换控制电路、16个转换结果存储器及其对应的16个存储控制寄存器、中断寄存器、片上集成温度传感器等组成。 ADC12可以在没有CPU的参与的情况下，实现多达16次的采样操作。ADC12模块可以单独断电，以便于低功耗设计。

ADC12 的性能指标：

采样率最高可达200ksps，采样速率可编程；

分辨率12-bit；

16路采样通道，其中12路外部模拟输入，1路内部温度传感器输入等； 内部含有采样保持电路，采样时间可编程；

可由软件、Timer_A 或Timer_B启动转换过程；

参考电压可编程：内部（1.5V 或2.5V）、外部；

4种转换模式；

ADC核和内部电源可编程断电，以实现低功耗；

具有中断（子）向量寄存器，供18路ADC中断译码用；

具有16个转换结果存储寄存器。

2.3.1.3 USB模块介绍

USB模块包含以下特性：

完全符合USB 2.0全速规范

第二章 系统总体设计 11

全速设备模式（12Mbps）带集成的USB收发器

8个输入和8个输出端点

支持控制、中断、块转移

支持USB暂停、续传和远程唤醒

与PMM系统独立的供电系统

集成的3.3VLDO稳压器从5-V VBUS取得充足的功率驱动MSP430和整个

系统电路

集成的1.8V LDO稳压器为PLL和PHY

容易使用无论在总线供电或自供电模式

3.3V LDO输出有电流限制能力

自动唤醒MSP430在有USB供电可能的时候

内部48-MHz USB时钟

集成可编程PLL

高度灵活的输入时钟频率当使用廉价晶体时

1904字节的端点专用USB缓冲区，大小完全可配置达8个字节的粒度

62.5 ns分辨率的时间戳产生器

当USB禁用时

缓冲区空间被映射到通用RAM，给系统增加额外2KB内存

USB管脚变为大电流通用IO管脚[5,6]

2.3.2 系统供电方式

在本系统中，供电电源为交流220V，需要将其转化为单片机系统所需要的5V 直流电。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类，由于开关电源内部开关元件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很少，效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流产品[7]。此外，由于本课题对电源的体积有一定的限制，因此只能选择开关电源，从而缩小变压器的体积。

2.3.2.1 开关电源简介

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管导通和关断的时间比率，维持稳定的输出电压的一种电源[8]。其原理框图如图2. 3所示。

220V AC输入图2. 3 开关电源原理

在系统中，220V/50Hz 的电网电压经过整流滤波，消除了来自电网、电机等

12 带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现

的干扰，然后将其进行整流，得到311V 的直流电压。再经过逆变器，将直流电压变成高频交流电压（脉冲），并降低其电压幅值。最后经过输出整流滤波器：将逆变器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。在此过程中，还需要控制电路来调整振荡器的频率来控制变换器来保证其输出电压的稳定，需要保护电路来实现过压和过流保护。

需要说明的是，逆变器可以将直流电压变为交流电压，包括提高信号频率的电源管理芯片和降压作用的变压器两大部分，也起到将输出部分与输入电网隔离的作用。将信号频率提高，可以有效的减小变压器的体积，大幅地提高转换效率。开关电源具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，但对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。

2.3.2.2 开关电源选型

本系统从220V交流电上取电，然后经开关电源，转换为5V直流电，供给数据采集板和ARM底板。单片机所需的3.3V由5V经稳压器后得到。

本系统选用超薄型直流开关电源JCA10—12V，它的相关参数如下：

输入电压范围：85—264V AC

直流输出电压：12V

输出电压容差：±2%

额定输出电流：2A

纹波及噪声：50mV Vpp

直流输出功率：10W

效率：72%

漏电流：<10mA/240V

工作温度：0—+50°C

2.3.3 运算放大器、仪表放大器选型

信号调理部分用到的运算放大器、仪表放大器选用德州仪器生产的OPA2140[9]和INA114[10].下面分别介绍一下这两款芯片。

OPA2140是低功耗、JFET输入放大器，它有很低的温度漂移和很低输入偏置电流，轨到轨的输出摆幅，输入范围可到V-，使设计者在连接到单电源、高精度的ADC或DAC时，可以利用JFET放大器的低噪声特性。OPA2140具有11M带宽，20V/μS的压摆率，静态工作电流只有1.8mA，单端供电范围是4.5V-36V，双端供电范围是±2.25V-±18V，可工作在–40°C — +125°C的宽范围内。

INA114是低价、通用型的高精度仪表放大器。内部集成三个运放的小尺寸设

第二章 系统总体设计 13 计使它有很宽的应用范围。只用一个外部电阻就可以调节它的增益从1—10000，内部输入保护可以承受±40V的电压。它具有很低的偏置电压(50μV), 极低的温度漂移 (0.25μV/°C)，极高的共模抑制比(115dB at G = 1000)，它的工作电压可以低至±2.25V，也可用在电池供电的单端5V系统，静态电流最大3mA。

2.3.4 其它芯片选型

本系统中用到的芯片还有电压基准源芯片TL431[11]、74LVC1G04[12]、光耦隔离芯片6N137[13]等。

热电阻测温部分用运放搭建的恒流源，需要一个高精度，低温漂、稳定的电压基准。德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。在这里利用TL431产生一个2.5V的基准电压，如图2.4。

图2.4 2.5V基准电压产生电路

此外在4-20mA输出部分，需要一个2.5V的电压基准，也由图2.4所示电路产生。

74LVC1G04[10]是NXP生产的单逆变器，高性能、低功耗、低电压，硅门CMOS器件，从1.65 到 5.5 V的宽供电电压范围，输入既可以被3.3V器件，又可以被5V器件驱动，这一特性使它可以在3.3V和5V器件混合的环境中使用。在本系统中用于把PWM波的幅值限制到2.5V，然后通过V/I变换产生4-20mA电流。

光耦用于隔离数字电路和模拟电路，在这里选择6N137.

2.4 精度的衡量和计算

2.4.1 衡量精度的几个概念和指标

随着生产的发展和科技的进步，对测量数据的准确性和可靠性的要求更高，不确定度、精度、精密度、正确度、准确度、分辨率是其重要的指标[14]。

(1) 不确定度

不确定度的定义为：与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予被测量值的

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