目录1系统摘要 (2)2系统设计理论 (2)3系统设计方案 (4)3.1AD7891高速数据采集系统 (4)3.1.1 AD7891结构及功能 (4)3.1.2工作时序和极限参数 (5)3.1.3 AD7891的应用 (6)3.1.4 AD7891与微处理器的接口 (8)3.2PCI-1714高速数据采集系统……………………………….…,,,.93.2.1 PCI- 1714 功能结构和特点 (9)3.2.2 PCI- 1714的系统构成..............................,.. (10)3.3基于AT89C51的数据采集通信系统设计 (12)3.3.1系统硬件设计 (12)3.3.2系统软件设计 (14)4各种方案的比较 (16)5心得体会 (17)6参考文献 (18)1.系统简介随着数字技术的飞速发展，高速数据采集系统也迅速地得到了广泛的应用。

在生产过程中，应用这一系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高生产质量，降低成本提供了信息和手段。

在科学研究中，应用数据采集系统可以获取大量的动态数据，是研究瞬间物理过程的有力工具，为科学活动提供了重要的手段。

而当前我国对高速数据采集系统的研究开发都处于起步阶段，因此，开发出高速数据采集系统就显得尤为重要了。

所谓高速数据采集系统，是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测（其对象包括数字和模拟信号），并且能够对数据实行某些处理（包括存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息），以供显示、记录、打印或描绘的系统。

在数字技术日新月异的今天，数据采集技术的重要性是十分显著的。

它是数字世界和外部物理世界连接的桥梁。

而随着现代工业和科学技术的发展，对数据采集技术的要求日益提高，在雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、信号测试等科研实践领域中，都需要高精度，高数据率的数据采集系统。

它的关键技术为高速高精度的ADC 技术，高数据率的存储和缓存技术以及系统高可靠性保证等。

通过数据采集技术，科研人员在实验现场可以根据需要实时记录原始数据，用于实验室后期的分析和处理，对工程实践和理论分析探索具有重大意义。

2.系统设计理论整个高速数据系统主要分为四个部分：数据采集部分、数据控制部分、数据处理部分、数据传输部分。

在数据采集部分，主要应用的就是采样定理、模数转换器ADC 及A/D 转换技术。

采用定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。

具体内容是，频带为F 的连续信号f(t)可用一系列离散的采样值)1(t f ,)1(t t f ∆±,)1(t t f ∆±,……来表示，只要这些采样点的时间间隔F t 21≤∆，便可根据各采样值完全恢复原来的信号)(t f 。

模数转换器ADC 用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字量。

ADC 转换器实际上就是一个编码器，输入的模拟量经过信号调理电路，抗混滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转为数字信号送入数据处理系统。

A/D转换部分通常包括采样和保持，量化和编码两部分组成。

在数据控制部分，则是利用单片机、CPLD/FPGA。

通常单片机以其控制性能好、数据处理能较好而受到广大电子设计者的青睐，但是其速度较慢，对于高速系统往往感到力不从心，所以单片机在低速要求不高的系统中应用较广。

但是可编程逻辑器件FPGA近几年来的发展速度是惊人的，尤其是在高端产品中，可它的速度很快但其它的控制性能差，软件设计性不强，因此对于要求高速而控制简单的系统其使用就较多，而对于控制复杂的系统其就难以胜任。

近年来，单片机和可编程逻辑器件经常一起出现在系统的控制器中，单片机充分发挥它的控制性能和数据处理能力，而CPLD/FPGA则充分发挥它的高速性，以弥补单片机的速度慢的缺点。

所以在大型系统设中单片机和CPLD/FPGA共同作为控制器是首选，这样可以充分发挥他们各自优点，并且可以弥补对方的不足。

在数据处理部分，常常利用DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。

或者运用FPGA完成及其复杂的时序和组合逻辑电路功能，适用于高速，高密度的高端数字逻辑设计领域。

在数据传输部分，可以采用ISA、PCI、USB等总线技术。

目前，使用比较广泛的是PCI总线，虽然其有很多优点，但是存在如下严重缺陷：易受机箱内环境的影响，受计算机插槽数量的地址、中断资源的限制而不可能挂接很多设备等。

USB总线由于具有安装方便、传输速率高、易扩展等优点，其中USB2.0标准有着高达4800bps的传输速率，已经逐渐成为计算机接口的主流。

3.系统设计方案3.1 AD7891高速数据采集系统3.1.1 AD7891结构及功能AD7891的内部功能框图如图2.1所示图3.1 内部功能方框图线性和积分输入方面的原因使得其多用于非快速处理过程中也可能正是这种原因使在长时间内没有在继电保护领域中得到应用据分析如果考虑到低通滤波和采样保持时间与传统的响应时间相差无几因此笼统地说只适用于低速处理系统是不客观的当然随着采样频率的提高要求芯片有更高的输出频率这将抬高硬件造价因此从装置的抗干扰能力和软件合理安排等因素考虑系统的采样频率以中低档为宜采用本文所介绍的原理设计的继电保护系统可以在极为恶劣的环境下工作而不会影响其测量的准确度压频变换芯片与计数器以及构成的这套模数转换装置以低价位完成了高价多位普通才能完成的功能所以此装置具有较高的性价比。

AD7891的引脚排列如图2.2所示图3.2 AD7891的引脚排列3.1.2工作时序和极限参数在和各种微处理器接口时可采用串行和并行两种接口模式，其相应的并行和串行工作时序如图2.3图2.4所示,表1 所列为AD7891的极限参数。

图3.3 AD7891的并行工作时序图3.4 AD7891的串行工作时序表1 AD7891的极限参数3.1.3 AD7891的应用3.1.3.1 模拟信号输入AD7891每个模拟信号通道均有两个可供选择的输入信号范围。

AD7891-1的输入信号范围为+-5v正负和正负10v，当输入端Vinxa和Vinxb 相连时，输入模拟信号的范围为正负5v ，当Vinxb 和模拟地相连时,输入模拟信号范围为正负10v,对于正负5v输入信号范围AD7891的输入阻抗为20 千欧，而对于正负10 v 输入信号范围其输入阻抗为34.3千欧。

AD7891-2的输入信号范围为正5v，正2.5v，正负2.5v。

当Vinxb 和模拟地相连时输入信号为5v，当Vinxa 和Vinxb 相连时，输入信号范围为正2.5v 。

当Vinxb 和2.5v 基准电压相连时输入信号为正负2.5v，2.5v 基准电压应是低阻抗输出的基准源。

当使用芯片内部正2.5v 基准源时，应加缓冲级。

对于正5v 和正负2.5v 输入信号, AD7891-2的输入阻抗为3.6千欧；当输入信号为正2.5v 时，输入信号通过多路选择器和并联的两个1.8千欧，电阻流入输入为高阻状态的采样保持放大器。

3.1.3.2 基准电压AD7891既可以使用片内基准源，也可以使用外部基准源，其片内的标称基准输出电压相对基准地为2.5v。

基准输入引脚可以接到基准输出引脚，也可以接到高精度2.5v外部基准电压源，使用外部基准源时，应加缓冲放大器RET OUT/REF IN引脚与RET GND 引脚间应接一个0.1uF的陶瓷去耦电容，REF GND 基准地应和模拟地相连。

3.1.3.3 控制寄存器AD7891有一个6位控制寄存器，寄存器各位分别控制芯片模拟信号通道的选择，模数转换的开始。

待机工作模式选择和输出数据格式，可以通过并行写操作或串行写操作将控制字写入控制寄存器，在芯片刚接通电源时，控制寄存器各位的初始状态均为0，为了将控制字写入控制寄存器，至少需要6个串行时钟周期格式为：其中A2，A1，A0为地址输入端,用来选择多路选择器模拟信号输入通道A2为最高有效位。

通道数N可由下列公式计算确定N = 4A2 + 2A1 + 1SWCONV是软件模数转换开始位,当这一位写入1时,模数转换开始。

SWSTBY为待机模式输入位当这一位写入1时,芯片处于待机模式；写入0时芯片处于正常工作状态。

FORMT为数据格式位，在单极性信号输入时，若该位写入0，则输出的数据格式为直接的二进制码；在双极性信号输入时若该位写入1,则输出的数据格式为二进制补码.3.1.3.4 接地和电源去耦适当接地和电源去耦是模数转换器在采样系统使用设计中应十分注意的问题.AD7891有模拟地和数字地.且应在同一点接地在使用中,系统的模拟地和数字地也应在同一点接地,而且系统的主要接地点应尽可能靠近AD7891,另外，AD7891的两个电源端均应分别接去耦电容，具体接法如图2.5所示。

.图3.5 AD7891电源去耦电路3.1.4 AD7891和微处理器的接口AD7891作为信号采集系统的前端器件,需要和各种微处理器进行接口,AD7891可与各种微处理器实现并行和串行两种方式的接口.具体微电路接法如图6和图7所示.图3.6 AD7891与微处理器的并行接口图3.7 AD7891与微处理器的串行接口3.2 PCI-1714高速数据采集系统3.2.1 PCI- 1714 功能结构和特点PCI- 1714 是一款PCI 接口的高速4 通道同步数据采集卡（功能框图如图 2.6 所示），适用于仪器测试、图像处理、视频数字化处理及声音与振动测试等领域。

其主要特性如下：图3.8 PCI- 1714 功能结构框图1）板卡采样速率可达30 MS/s，支持32 位PCI总线控制DMA数据传送方式；2）使用了4 个相同的电路和12 位高速ADC 用于每个模拟量通道，具有同步采样功能；3）每个通道带有32k 的FIFO 存储区，允许使用者在做极速采样时，有足够的缓冲区可供暂存，确保数据传输具有最佳的速度和数据完整性，便于Win －dows 系统的预处理；4）PCI- 1714 的A/D 转换和配置支持6 种触发模式（软件触发、定时器触发、后触发、预触发、延时触发和匹配触发)，方便客户依需求自行设定；5）提供多种输入范围，包含±5V、±2.5V、±1V、±0.5V等，通过软件调节增益值选择最适合于被测信号的电压范围，各通道增益可独立编程。

6）提供研华专属的板卡装置识别码，当用户同时插入多张板卡时，可做硬件组态设定，轻易辨识每张板卡，便于系统扩展。

3.2.2 PCI- 1714的系统构成基于PCI- 1714 的通用高速数据采集系统结构如图2.7所示，图3.9 基于PCI- 1714 的高速数据采集系统结构框图传感器采集的现场信号经滤波器滤波后进入PCI- 1714 板卡，卡上前端衰减放大电路对信号进行信号调理，调理后的信号进入A/D转换器进行高速模数转换。