论文总字数：20102字

摘 要

随着数据采集系统在现代工业测控领域应用越来越广泛，高精度数据采集技术在自动化、航天、石油勘测等更多的应用领域的要求也越来越高。目前市面上常用的数据采集装置的ADC位数通常都在8位到24位之间，高精度采集系统ADC的有效采样率往往达不到24位。基于高精度数据采样装置的需求，本系统采用了基于AD7175模数转换器和STM32F103型微控制器进行设计，采用了SPI三线通信，实现24位高精度数据采集系统。同时为了能实时显示所测数值，在单片机上配置了一个2.4寸TFT显示屏。设计中重点研究了高精度的参考电压源设计、模数转换电路设计、CPU电路设计，通过立创EDA工具设计完整的电路原理图并制成PCB印刷板。同时应用C语言在keil5平台上通过模块化编程，完成主从设备控制、信号采集、处理、数据显示以及串口传输到PC机进行存储各功能的驱动软件。最后由一系列仿真实验证明，在采样速速率低于200SPS时，该采集系统对电压信号的有效转换可以达到24位。

关键词：模数转换 单片机 数据采集

Design Of High-PrecisionData Acquisition System

Based on the AD7175

Abstract

With the increasing application of data acquisition systems in the field of modern industrial measurement and control, high-precision data acquisition technology has become increasingly demanding in more fields such as automation, aerospace, and petroleum exploration. The number of ADC bits commonly used in data acquisition devices on the market is usually between 8 bits and 24 bits. The effective sampling rate of high-accuracy acquisition system ADCs often falls short of 24 bits. Based on the needs of high-precision data sampling devices, the system is designed based on the AD7175 analog-to-digital converter and STM32F103-based microcontroller. SPI 3-wire communication is used to implement a 24-bit high-precision data acquisition system. At the same time, in order to display the measured value in real time, a 2.4-inch TFT display is configured on the single-chip microcomputer. The design focuses on the design of a high-precision reference voltage source, analog-to-digital conversion circuit design, and the design of the CPU circuit. A complete circuit schematic is designed using the EDA tool and a printed circuit board is created. At the same time, using C language on the keil5 platform through the modular programming, complete master-slave device control, signal acquisition, processing, data display and serial port transfer to the PC for storage of various functions of the driver software. Finally, a series of simulation experiments show that when the sampling rate is lower than 200 SPS, the acquisition system can effectively convert the voltage signal to 24 bits.

Key Words: Analog–digital conversion; Single Chip Micyoco; Data acquisition

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 概论 1

1.2 数据采集发展现状 1

1.3 本文主要研究工作 3

第二章 数据采集系统的硬件电路设计 4

2.1 系统整体设计方案 4

2.2 模数转换电路 4

2.3 CPU控制电路 6

2.4 电源电路设计 9

2.5 印刷电路板设计 11

第三章 数据采集系统的软件设计 13

3.1 开发工具介绍 13

3.1.1 Keil uVision5 13

3.1.2 立创EDA 13

3.2 软件总体结构 13

3.3 系统子程序流程 16

3.3.1 AD7175模块子程序 17

3.3.2 TIME子程序 18

3.3.3 SPI通信子程序 19

3.3.4 显示存储子程序 20

第四章 系统调试 23

4.1 系统调试方案设计 23

4.2 系统调试与结果 24

结语 27

参考文献 28

致谢 29

附录1：主控板电路图 30

第一章 绪论

1.1 概论

在工业生产的测试过程中，各种参数的实时数据对生产过程意义重大。故此，对于各被测数据的精度要求随生产需要而相应提高，然而所测数据的精度取决于数据采集系统的采集精度。相应而言，所需要的的数据采集系统对其设计方案的选择、硬件电路结构以及模拟信号的精度等都有较高的要求。传统的数据采集系统装置采集精度较低，在当下越来越重视数据采集高精度特性的环境下，通过高精度模数转换的实现，来设计一款高精度数据采集系统，意义重大^[1]。

相对于国外的数据采集技术，我国的产品仍处于落后地位，实现自主研发高精度数据采集系统具有着重要意义。目前国内外在对测量精度的研究上，主要是通过提高工艺质量、选取性能更好的材料来提高测量精度，但这样的方法存在较大的局限性，受制于材料本身的属性以及工业制造的瓶颈，达到一定的高度后，想更进一步十分困难。同时，数据的采集精度与其量程范围间存在的制约关系决定了测量精度的提高以及测量范围的扩大不能被同时考虑。数据采集系统中，采用高精度高性能的模数转换芯片，不仅能大大提高信号处理的能力，同样系统采样稳定性也能得到提高。

1.2 数据采集发展现状

数据采集^[2][3]是将自然界中不可直观的模拟量经由采集转换成数字信号，再通过计算机进行数字信号处理。实现这个过程的系统被称作数据采集系统，故数据采集系统的实现目标即为前端采样传感器采集得到的模拟信号量处理后转换成数字信号量，再输出到专用的处理系统中获取需要的结果。一个完整的数据采集系统^[4]通常由传感器、前置放大电路、滤波电路、多路模拟开关、采样模拟电路、模数转换器、计算机接口组成。目前数据采集系统基于社会俞来愈高的需求^[5]，向着高速，高精度以及高稳定的方向深入。谈及数据采集系统，就必须提到数据采集方法。数据采集方法是一项根本的研究，目前在国内外采样方法的研究中，主要存在这3种主流的思想和方法^[6]：

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