基于单片机的多路数据采集系统设计

[摘要]:数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本

设计采用了单片机AT89C52来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，显示模块，和串行接口部分。该系统下位机负责数据采集并应答上位机机的命令。4路被测电压通过模数转换器ADC0809进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过串行口MAX232传输到上位机，由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用LED数码显示器来显示所采集的结果。软件部分应用VB编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。本设计经调试完成了数据采集、模数转换、显示及上位机绘图各项功能。

[关键词]: 数据采集; 89C52单片机; ADC0809; MAX232;

The Design Of Multi-channel Data Acquisition

System Based On SCM

[Abstract]：Data acquisition systems are analog and digital domains essential link between its presence has

a very important role. This design uses a single-chip AT89C52 to achieve, the hardware part is a microcontroller as the core, but also including A / D conversion module, display module, and serial interface section. The system is responsible for lower machine data acquisition and PC answering machine commands. 4 measured voltage through the ADC ADC0809 analog to digital conversion, to achieve the collected data to digital analog conversion, the converted data through the serial port MAX232 transmitted to the host computer, the host computer responsible for data receiving, processing and display, and LED digital display to display the collected results. Part of the application software written in VB control software, data acquisition systems, analog to digital conversion system, data display, data communications and other procedures were designed. After commissioning the design of the data acquisition, analog to digital conversion, display and PC graphics functions.

[Key words]: data acquisition; AT89C52; ADC0809; MAX232;

1. 引言

1.1 研究背景及其目的意义

近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

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20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

[8]

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

[8]

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、

航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功

[8]

耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。 1.2 国内外研究现状

数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。

我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。

由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。

受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。 1.3 该课题研究的主要内容内容

数据采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功

[8][8]

能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机(如IBM PC 系列) 使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.

传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。

本系统采用下位机负责模拟数据的采集,从单片机负责采集八路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间用RS-232进行通信。这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。该系统采用的是AT89S52单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。

2. 方案论证及选择

2.1 方案一

本方案采用AT89C52单片机、ADC0809作为A/D转换器、RS-232C作为串行口、LED数码管作为显示部分以及用按键开关作为通道切换，每只按键接单片机的一条I/O线，通过对线的查询可识别各按键状态。原理图如图2.1所示。

RS-232开关AT89C52单片机A/D转换器采集信号LED显示器 图2.1 方案一原理框图

2.2 方案二

本方案硬件电路采用AT89C51单片机最小系统、ADC0809模数转换电路、HD7279键盘控制与LED显示电路、RS-232C串行通信电路四部分组成。该方案较一来说，键盘控制比方案一更加方便，且实现简单。原理图如图2所示。

A/D采集AT89C51单片机HD7279键盘RS-232LCD液晶显示屏 图2.2 方案二原理框图

2.3 方案选择

为了节省资源以及考虑到各器件性价比方面，选择方案一作为最终方案。89C51市面上已被许多新型单片机取代，故采用现阶段主流的AT89C52单片机。而ADC0809为逐渐逼近式A/D转换器，它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。在显示部分采用动态扫描显示法选择性价比更高的LED数码管。通道选择方面，通过对硬件的优化使得避免使用键盘，而只需两个按键开关去实现通道切换。

3. 硬件部分

该系统是一个上、下位式多路数据采集系统，下位机用单片机实现，负责数据处理和显示，上位机负责将采集到的数据用坐标的形式动态描绘出结果。上位机和下位机之间用RS-232进行通信。该部分由AT89C52、ADC0809、MAX232、LED数码显示器组成。 3.1 单片机

3.1.1 单片机的概述

单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。

单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位及32位单片机。它们被应用在不同领域里，8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势：

1、 微型单片化 2、 低功耗CMOS 3、与多品种共存

4、可靠性和应用水平越来越高

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。

[9]

[9]

3.1.2 单片机最小系统

AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

[9]

AT89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机最小系统如图3.1所示。

VccP1.02P1.13P1.2VCCR151R4P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST/VPD10P3.0/RXD11P3.1/TXD12P3.2/INT013P3.3/INT114P3.4/T015P3.5/T116P3.6/WR17P3.7/RD18XTAL219XTAL120GNDAT89C521VCCP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.040393837363534333231302928a727a626a525a424a323a222a121a0Vcc[8]

+C10uFR210K 30pF30pF 图3.1 AT89C52最小系统

它一共有40个引脚，引脚又分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（I\\O）引脚。最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。

综上所述，单片机的引脚特点是：

1、 单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。

2、 单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。

89C52单片机的主要功能 ? 与MCS-51单片机产品兼容 ? 8K字节在系统可编程Flash存储器 ? 1000次擦写周期 ? 全静态操作：0Hz～33Hz ? 三级加密程序存储器 ? 32个可编程I/O口线 ? 三个16位定时器/计数器 ? 八个中断源 ? 全双工UART串行通道 ? 低功耗空闲和掉电模式 ? 掉电后中断可唤醒 ? 看门狗定时器 ? 双数据指针 ? 掉电标识符 3.2 LED数码管显示器

简单的讲，LED数码显示器就是由发光二极管组成的，LED数码显示器有两种连接方式： （1）共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极与输入端相连。

（2）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。各段位码位的对应关系如表3.1所示。

表3.1 段位码对应关系

段位码 位码段 D7 dp D6 g D5 f D4 e D3 d D2 c D1 b D0 a [9]

本设计用四位共阴数码管作为显示部分。 3.3 模数转换器ADC0809

在我们所测控的信号中军事连续变化的物理量，而要对这些信号进行处理,则需要将其转换为数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。

按模拟量转换成数字量的原理可以分为3种：双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。而该系统选用的是ADC0809，下面就具体的介绍一下ADC0809的工作原理。

ADC0809是八通道的八位逐次逼近式A/D转换器。由单一的5V电源供电，片内带有锁存功能的8选1的模拟开关。由C、B、A的编码来决定所选的模拟通道。转换时间为100us。转换误差为1/2LSB。它的引脚的排列及其功能，其引脚图见图3.3。

图3.3 ADC0809引脚图

D215ADC0809D017Vref(+)1612Vref(+)13GND14D110CLOCK11VccD4D519186START7EOC8D39OEADDC23ALE2221D620D7542IN43IN51IN3IN6IN7IN228IN127IN02625ADDAADDB24IN7~IN0 ：八个通道的模拟输入量。

ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道地址线。当CBA=000时，IN0输入，当CBA=111时，IN7输入。 ALE：地址锁存信号。

START：转换启动信号，高电平有效。

D7~D0：数据输出线。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。 OE：输出允许信号，高电平有效。 CLK：时钟信号，最高频率为 640KHZ。

EOC：转换结束状态信号。上升沿后高电平有效。 Vcc：+5V电源。 Vref：参考电压。 3.4 串口通信RS-232C

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器

厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

（1）接口的信号内容 实际上RS-232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232C最常用的9条引线的信号内容。见表3.2所示

表3.2 RS-232C

引脚序号 信号名称 符号 流向 功能 2 发送数据 TXD DTE->DCE DTE发送串行数据 3 接收数据 RXD DTE<-DCE DTE接收串行数据 4 请求发送 RTS DTE->DCE DTE请求DCE将线路切换到发送方式 5 允许发送 CTS DTE<-DCE DCE告诉DTE线路已接通可以发送数据 6 数据设备准备好 DSR DTE<-DCE DCE准备好 7 信号地 信号公共地 8 载波检测 DCD DTE<-DCE 表示DCE接收到远程载波 20 数据终端准备好 DTR DTE->DCE DTE准备好 22 振铃指示 RI DTE<-DCE 表示DCE与线路接通，出现振铃

（2）接口的电气特性 在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5— -15V；逻辑“0” +5— +15V 。噪声容量为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高于—3V的信号作为逻辑“1”。

（3）接口的物理结构 RS-232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端,插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

（4）传输电缆长度 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为

50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。

3.5简介MAX232

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电，可以实现TTL电平与RS-232C电平相互转换的IC芯片。

MAX内部结构图如图3.4所示

+5

16C3

1

C13C1+ C1-V+2C24C2+5C2-V-6C4400K

11T114400K10T2712R1400K139R2400K8GND15

图3.4 MAX内部结构图

内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。

引脚结构图如图3.5所示：

图3.5 MAX内部结构图

1C1+3C1-4C2+5C2-MAX232VDD2VCC1611T1IN10T2INT1OUT14T2OUT7R1IN13R2IN8VEE6 12R1OUT9R2OUT15GND其中引脚1-6（C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-）用于电源电压转换，只要在外部接入相应电解电容即可；引脚7-10和引脚11-14构成两组TTL信号电平与RS-232C信号电平的转换电路，对应引脚可直接与单片机串行口的TTL电平引脚和PC的RS-232C电平引脚相连。

4. 软件部分

该设计软件部分分为下位机与上位机两部分。下位机用KeilUvision4编写程序，上位机用Visual Basic6.0编写程序。 4.1 下位机软件部分 4.1.1

简介KeilUvision4

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些组合在一起。

Keil有以下几个特点： 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 通信。

4.1.2 下位机软件设计

根据数据采集系统的指标要求，由于系统需要实时显示任一通道数据采集结果，所以在显示完采集数据信息后，程序将自动跳回A/D采样环节重复执行。下位机程序流程图如图4.1所示。 初始化开始全功能的源代码编辑器； 器件库用来配置开发工具设置； 项目管理器用来创建和维护用户的项目；

集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用； 所有开发工具的设置都是对话框形式的； 真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；

高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行

A/D转换选择通道3 四位数码管显示判断数据转换是否完成N通过串口向上位机传送转换数据结束

图4.1 下位机程序流程图

按照图4.1所示的程序流程图，用C语言编译的程序见附录C。单片机AT89C52控制ADC0809实行数据采集与转换的程序通过Keil4进行程序的编译与修改，程序编译成功后利用STC-ISP软件把程序的.hex文件下载到单片机中AT89C52。AT89C52控制ADC0809实行数据采集与转换的程序编译界面如图4.2所示。

图4.2 下位机程序编译界面

从图4.2的左下方的英文字母可以看出程序编译成功，并且生成“最终程序.hex”文件。将生成的“最终程序.hex”通过STC-ISP软件下载到AT89C52单片机中。“最终程序.hex”文件下载到AT89C52成功的界面如图4.3所示。

图4.3 下载成功界面

4.2 上位机软件部分 4.2.1 Visual Basic6.0介绍

Visual Basic是Microsoft公司开发的Windows应用程序开发工具，Visual——“可视化的”，是一种开发图形户界面（GUI）的方法。

英文Visual的意思是“视觉的”，“可视的Basic”这个名字可能抽象了点，但实际上它却是最直观的编程方法，之所以叫做“可视”，你只要看到VB的界面就会明白，实际上你无需编程，就可以完成许多步骤。

在VB中引入了控件的概念，在Windows中控件的身影无处不在，如按钮、文本框等，VB把这些控件模式化，并且每个控件都有若干属性用来控制控件的外观，工作方法，能够响应用户操作（事件）。

这样你就可以象在画板上一样，随意点几下鼠标，一个按钮就完成了，这些在以前的编程语言下是要经过相当复杂的工作的。 （1） Visual Basic的特点：

① 可视化的程序设计工具

可视化是开发Windows环境下图形用户界面(GUI)的方法，获得所见即所得(WYSIWYG—What You See Is what You Get)的效果。

② 集成开发环境。

程序的编辑、编译、调试和运行都在同一环境下进行，不必进行环境的切换。 ③ 面向对象的程序设计方法。

VB采用的是面向对象、事件(消息)驱动的编程机制。 ④ 结构化的程序设计语言。

仅采用顺序、选择和循环三种结构编制程序，开发的程序易于阅读、修改和维护。 ⑤ 支持多种数据库系统的访问。

利用ADO（Active Database Object）或数据控件可以访问多种数据库，如Access、Oracle、DBASE、FoxPro、Excel、Lotus-1-2-3等。

⑥ Active技术

可以在VB程序中嵌入其他软件开发的程序，这就使VB能开发集声音、图像、动画、字处理、Web等对象于一体的应用程序。

⑦ 完备的Help联机帮助功能

如果在安装VB时安装了MSDN，就可以随时获得联机帮助。

⑧ VB6.0支持开发网络环境、分布式环境及Internet环境下的应用程序，它提供DHTML

（Dynamic HTML）设计工具，可以设计动态网页。

其操作页面如图4.3所示。

图4.3 Visual Basic6.0操作界面

（2） 主窗口

应用程序窗口,由标题栏、菜单栏和工具栏组成 VB的三种工作模式（标题栏总显示当前模式）

a) 设计模式：创建应用程序的大多数工作都是在设计时完成的。在设计时，可以设计窗体、绘制控件、编写代码并使用“属性”窗口来设置或查看属性设置值。

b) 运行模式：代码正在运行的时期，用户可与应用程序交流。可查看代码，但不能改动它。

c) 中断模式：程序在运行的中途被停止执行时。在中断模式下，用户可查看各变量及不是属性的当前值，从而了解程序执行是否正常。还可以修改程序代码，检查、调试、重置、单步执行或继续执行程序。 窗体(Form)设计窗口

窗体设计窗口是屏幕中央的主窗口，它可以作为自定义窗口用来设计应用程序的界面。用户可以在窗体中添加控件、图形和图片来创建所希望的外观。每个窗口必须有一个的窗体名字，建立窗体时缺省名为Form1,Form2, . . .。

设计窗口如图4.4所示。

图4.4 设计窗口

（3） 代码(code)窗口

在设计模式中，通过双击窗体或窗体上任何对象或通过“工程资源管理器”窗口中的“查看代码”按钮来打开代码编辑器窗口。代码编辑器是输入应用程序代码的编辑器。 代码窗口如图4.5所示。

图4.5 代码窗口

对象列表框 过程列表框 编辑程序代码

（4） 属性（properties）窗口

属性是指对象的特征，如大小、标题或颜色等数据。在Visual Basic6.0设计模式中，属性窗口列出了当前选定窗体或控件的属性的值，用户可以对这些属性值进行设置。属性窗口如图4.6所示。

属性含义说明 属性列表框 对象列表框 属性显示排列方式 图4.6 属性窗口

（5） 工具箱(ToolBox)窗口

工具箱提供一组工具，用于设计时在窗体中放置控件生成应用程序的用户接口。系统启动后缺省的General工具箱就会出现在屏幕左边，上面共有21个常用“部件”。工具箱窗口如图4.7所示。

图4.7 工具箱窗口

4.2.2 上位机软件设计

该上位机软件编写主要用到了串口通信和曲线画图。通过对下位机转换好并通过串口传送至上位机的数据信息进行实时绘图。将下位机采集到的数据通过坐标轴动态显示出来。该设计主要用到Msomm控件一个，timer控件两个，textbox控件四个，combo控件一个，picture控件一个，command控件三个。主要实现以下功能： 1. 串口采集数据；

2. 用曲线动态显示数据； 3. 显示时间；

4. 鼠标点击读数（确定所点击位置的横纵坐标）。

上位机的操作界面如图4.8所示。

图4.8 上位机操作界面

5. 电路制作与调试

5.1 电路制作 5.1.1电路仿真

电路的仿真主要通过Proteus软件进行硬件电路的初步设计，能够对各器件进行合理布局，以及验证逻辑是否正确。通过仿真可以避免因电路错误而将器件烧毁，并且能够进一步了解软件程序编写是否正确，能否实现功能。仿真步骤如下： (1).安装Proteus仿真软件。

(2).按照设计进行布局，画电路图，并连线。本设计先画出单片机，然后将四位数码管与单片机连接，再将ADC0809与单片机端口连接，进而将四个电位器与ADC0809连接，再将MAX232与RS-232C连接好后与单片机的P3.0、P3.1口相连。最后接电源和地线。 (3).认真检查连线是否正确，各端口设置是否与程序中的一致，是否接电源和地。 (4).将生成的.HEX文件导入单片机。

(5).点击PLAY，观察是否正常显示及显示结果。

(6).改变电位器大小及转换通道，再次观察是否正常显示结果。 如图5.1为下位机电路仿真图。

图5.1 下位机电路仿真

软件仿真遇到的第一个问题是点击Proteus中Play后，四位数码管不显示结果，且电源供电正常，电路连接正确。经测单片机I/O输出端口电平后发现，没有生成.HEX文件，即将程序下载到单片机内，经改后，解决了这个问题。

软件仿真遇到的第二个问题是点击Proteus中Play后，四位数码管显示结果不是正常值。经检查发现下位机程序显示模块程序中的语句逻辑出现了问题，当给每个数码管均先用语句熄灭后，再逐个点亮后，显示结果变为正常值。

软件仿真遇到的第三个问题是拨动开关后，采集信号通道没有发生改变。经检查后，发现开关另一端应接地，而不是高电平。改过之后，能够实现用开关控制通道。 5.1.2 硬件电路制作

硬件电路制作包括元器件的选择、电路的焊接以及电路之间的连接。在通过Proteus软件仿真通过后，将电路所需的元器件整理、列表、领取、购买。之后开始在焊接板上进行电路焊接。焊好后，用杜邦线按图接到相应管脚。认真检查电路，确认无误后，开始通电。通电后结果显示于数码管上，通过调节电位器阻值改变电压大小，并观察数码管显示结果是否正常。再按下按键开关以改变通道，之后调节该通道电位器继续观察。下位机硬件实物图如图5.2所示。

图5.2 下位机硬件实物图

硬件调试遇到的第一个问题是当接通电源后，数码管显示结果不稳定，一直闪烁。起初认为是软件延迟时间过高，在改变延迟值后，数码管依旧闪烁。经过查询资料发现是电流不够，进而给单片机P0口再接一上拉排阻，且将电源功率增大。这一问题便得到解决。

调试遇到的第二个问题是当按下按键开关后，电路通道没有切换。经检查发现在焊接电路时两个按键开关的一端均接错，没有与单片机的P1.4和P1.5连接。在重新焊接后，功能得到实现。

硬件电路调试遇到的第三个问题是在调试过程中，某次通电后，发现数码管显示的数值一直是174，无论按动开关还是改变电位器阻值都无法改变数码管显示值。经检查发现是在之后的焊接中将ADC0809烧坏。之后将整个电路重新焊接，并采用先焊接底座，之后将芯片插到底座上的方法解决掉这一问题。

硬件调试遇到的第四个问题是将下位机用串口与上位机连接后，发现下位机采集到的数据信息无法上传到上位机。遇到这个问题首先想到的是串口电路是否工作正常，用其他已完善的程序下载到单片机后，再次与上位机连接并通过串口调试工具检测，发现数据传输正常，结果正确，便确定了是串口程序出了问题。在反复检查下位机程序、查询资料后，重新改写了部分程序。问题便得到了解决。

结论

本设计介绍的是基于单片机的多路数据采集系统，用于对4路模拟量进行采集，并显示采集到的数值。本系统使用ADC0809对模拟量进行转换，用ATC89C52单片机作为系统核心，控制ADC0809以及将采集到的数据发送至上位机。通过四位共阴数码管显示转换后的数值，将采集过程中模拟量的变化以及通道的切换用上位机动态显示并以坐标的形式绘制出来。

虽然本次设计已基本完成设计目标，但是还有不足之处。主要表现在显示时不够稳定，时而就会出现数值跳变，这种情况是由于杜邦线与排针连接时有松动。若采用PCB制板，将复杂的引脚连接通过制板时绘制到电路中，这种情况就会得到解决。对信号的采集形式有些单一，若能将其他3路分别采集温度、湿度、光照强度信号会提高系统的实用性，可以通过传感器等器件来实现对不同信号形式的采集。

致谢

致谢人：

日期：2013年6月4日

参考文献

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附录A 英文文献原文

Data Acquisition: An Introduction

Bruxton Corporation

This is an informal introduction digital data acquisition hardware. It is primarily directed towards assisting in the selection of appropriate hardware for recording with the Acquire program. Overview

In principle, data acquisition hardware is quite simple. An A/D converter delivers a sequence of values representing an analog signal to an acquisition program. In practice, selecting and properly using data acquisition hardware is more complex. This document provides an informal introduction to the topic.

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Many of the examples are taken from patch-clamp recording. This technique requires

accurate acquisition of low-level signals (picoamperes) with bandwidth in the audio range (up to 10kHz).

Background

A data acquisition system converts a

AmplifierDigitizersignal derived from a sensor into a sequence sensor+3.250of digital values. The sensor is connected to

+3.100an amplifier, which converts the signal into a +2.500+1.745potential. The amplifier is in turn connected

+0.985to a digitizer, which contains an A/D

converter. The digitizer produces a sequence of values representing the signal. Signal Source

The source of most signals to be digitized is a sensor, connected to an amplifier with appropriate signal conditioning. The amplifier delivers an electrical signal. This signal is then digitized using an A/D converter.

For patch-clamp recording, the sensors are solution filled pipettes. The pipette is connected to a patch-clamp amplifier that converts the voltage at the pipette or the current through the pipette to a high-level signal. By convention, the full-scale output range of a patch-clamp amplifier is ±10V, matching the range of common instrumentation quality digitizers. Digitizer

A digitizer converts one or more channels of analog signal to a sequence of corresponding digital values. The heart of a digitizer is an A/D converter, a device that samples an analog signal and converts the sample to a digital value.

For example, for recording from a single ion channel, the digitizer might determine the output of the patch clamp amplifier once every 50ms and provide the resulting value to the computer.

Sampling Theorem

The purpose of data acquisition is to analyze an analog signal in digital form. For this to be possible, the sequence of values produced by a digitizer must represent the original analog signal.

The sampling theorem states that this is the case. The sampling theorem states that an analog signal can be reconstructed from a sequence of samples taken at a uniform interval, as long as the sampling frequency is no less than double the signal bandwidth. For example, assume a signal contains frequencies from DC (0Hz) to 10kHz. This signal must be sampled at a rate of at least 20kHz to be reconstructed properly.

As a practical matter, the sampling rate should be several times the minimum sampling rate for the highest frequency of interest. For example, to resolve a 10kHz signal, a minimum sampling rate of 20kHz is required, but a sampling rate of 50kHz or more should be used in practice. Control

Most of this discussion is about digitizing analog signals for a computer. In many cases, a computer also produces analog control signals. For example, in patch-clamp experiments involving voltage-gated ion channels, the computer is frequently used to produce an electrical stimulus to activate the channels. These control signals are produced using a D/A (digital to analog) converter.

From Sensors to Signals

Many signal sources consist of a sensor and an amplifier. The amplifier converts the output of the sensor into the signal to be digitized. Preamplifier

Many instrumentation systems are built with a preamplifier located HeadstageAmplifieras close to the sensor as possible. A separate amplifier converts the

Microelectrodepreamplifier output to a high-level

signal. Placing the preamplifier close to the sensor reduces noise, by allowing the signal to be amplified before being sent over a cable. Since physical space near the sensor is limited, the preamplifier is as small as possible, with the bulk of the electronics being located in the amplifier.

For example, in a patch clamp setup, the sensor is a solution-filled pipette, the preamplifier is the head stage, and the amplifier is the patch-clamp amplifier itself. Signal Conditioning

Many sensors deliver signals that must be transformed before they can be digitized. For example, a microelectrode pipette may be used to measure current, while the digitizer measures potential (voltage). The patch clamp amplifier provides a current-to-voltage amplification, usually measured in mV of output per pA of input. This transformation of the sensor signal is called signal conditioning.

Signal conditioning may be more complex. An input signal from a non-linear sensor may be converted to a voltage that is linear in the quantity being measured, compensation may be made for second-order effects such as temperature, or an indirect effect such as a frequency shift may be

converted to a voltage. Integrated Digitizer

As the cost of A/D converters declines, the digitizing function can be moved into the amplifier. For example, the HEKA elektronik EPC-9 patch-clamp amplifier contains a built in digitizing unit (an Instrutech ITC-16).

Integrating a digitizer into an amplifier can substantially reduce total noise in the digitized signal, since the analog signal is not carried over a cable from the amplifier to an external digitizer. Be careful of instrument specifications when comparing an analog amplifier to one with a built-in digitizer. Including the digital electronics in the amplifier housing may increase noise, and the digitizer itself may add noise to the signal. However, the total noise in the digitized signal may be much less than if an external digitizer is used. Compare an amplifier with an integrated digitizer to the combination of an analog amplifier and an external digitizer.

A major advantage of integrating a digitizer into an amplifier is that the amplifier designer can easily include features for computer control. A data acquisition program connected to such an amplifier can then offer an integrated user interface, simplifying operation. In addition, the acquisition program can record all amplifier settings, simplifying data analysis. From Signals to Samples

A digitizer consists of an A/D (analog to digital) converter that samples an analog input signal and converts it to a sequence of digital values. Aliasing

The sampling theorem states that, in order to be able to reconstruct a signal, the sampling rate must be at least twice the signal bandwidth. What happens if a signal contains components at a frequency higher than half the sampling frequency? The frequency components above half the sampling rate appear at a lower frequency in the sampled data.

The apparent frequency of a sampled signal is the actual frequency modulo half of the sampling rate. For example, if a 26kHz signal is sampled at 50kHz, it appears to be a 1kHz signal in the sampled data. This effect is called aliasing. Anti-Aliasing Filter

If a signal to be digitized has components at frequencies greater than the half the sampling frequency, an anti aliasing filter is required to reduce the signal band width. The anti-aliasing filter must cut off signal components above one half the sampling rate.

Most signal sources are inherently band-limited, so in practice, anti-aliasing filters are often not required. However, some signal sources produce broadband noise that must be removed by an anti-aliasing filter.

For example, patch-clamp amplifiers have built-in anti aliasing filters. The pipette used for patch-clamp recording inherently filters signals above a low frequency in the range of 1kHz. The good high frequency response of a patch clamp amplifier is achieved only by boosting the high frequency component of the signal to compensate for the frequency response of the pipette. This can produce significant high-frequency noise. A patch-clamp amplifier provides a filter to eliminate this noise. Integrating Converters

The discussion of aliasing assumes instantaneous sampling. The output value produced by the A/D is represents the instantaneous analog signal amplitude. Such sampling A/D converters are the most common for use in instrumentation.

Some A/D converters employ an integrating conversion technique. The output value produced by such a digitizer represents the integral of the analog signal amplitude over the sampling interval. Such converters eliminate aliasing. They can be viewed as containing a built-in anti-aliasing filter.

Integrating converters are rarely used in high-speed control applications. The most common techniques for implementing high-speed integrating converters result in a delay of many sample intervals between an analog sample and the corresponding digitizer output value. This delay can introduce considerable phase shift at high frequencies in closed-loop response if the digitizer is used in a control system. Resolution

Typically a digitizer provides the computer with fixed length binary numbers. For example, the Axon Instruments Digidata 1200A produces 12-bit numbers, while the Instrutech Corporation ITC-16 produces 16-bit numbers. The length of each value is called the resolution of the device, measured in bits.

The resolution can be translated to an absolute input level. Most digitizers measure swings of up to approximately 10V from zero, for a total range of 20V. A 12-bit value has a resolution of 1 part in 4096, so the resolution of a 12-bit digitizer is 20V divided by 4096, or approximately 5mV. This is expressed by saying that a change of one count (or one least significant bit, or LSB) represents 5mV.

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Since analog instruments rarely have an accuracy significantly exceeding 0.1%, it might seem that 10 or 11 bit resolution would be sufficient in a digitizer. However, additional bits of resolution are needed because the input signal frequently does not use the entire input range. For example, even if the instrumentation amplifier gain has been adjusted to yield an input signal with a 20V range, small components of the signal with a 2V range might also be of interest.0.1% resolution of a 2V signal within a 20V range requires at least 13 bits of resolution. Accuracy

Several specifications are used to express the accuracy of a digitizer.

The absolute accuracy expresses how precisely the digital values produced represent the analog inputs. For example, a digitizer might have an absolute accuracy of 1 part in 4096. This can also be expressed by saying that the digitizer has 12 bit absolute accuracy.

The relative accuracy expresses how precisely the digitizer measures the difference between two analog input values. This is frequently of greater interest than the absolute accuracy.

The noise specification expresses how much the digitizer output will vary with no change in the analog input. This is frequently expressed as a number of bits. For example, a 16-bit digitizer with two bits of noise will produce effectively the same results as a 14-bit digitizer.

The accuracy of a digitizer varies strongly with its maximum sampling rate. The more accurate the digitizer, the slower it is.

Be careful when reading digitizer specifications. In some cases, manufacturers publish specifications of the A/D converter used in a digitizer as the specifications for the entire digitizer. However, the accuracy of the digitizer may be significantly less. The digitizer may include necessary components such as amplifiers and voltage references that degrade the accuracy. In addition, the A/D specifications apply only under specific conditions described in the converter datasheet. In the digitizer, those conditions may not apply.

From Samples to Computer

Once data has been digitized, it must be transferred to a computer. Usually a digitizer is built as a computer plug in board, so transfers take place over the computer bus.

Digitizers used for high-speed measurement can feed data to the computer at a high and constant rate. For example, a digitizer running on one channel at 100k samples/second will typically produce 200k bytes/second of data continuously. This is a large stream of data.

The continuous nature of much data acquisition requires some kind of buffering. For example, if the computer stops for 30ms to write data to disk or to update a display, 6000 bytes of data will accumulate. The data must be stored somewhere, or it will be lost. Data Transfer: DMA

The Axon Instruments Digidata 1200 uses DMA (direct memory access) to transfer data to the memory of the host computer. DMA transfers proceed regardless of the activity in the host.

DMA transfers encounter problems on during

4K Pagecontinuous acquisition. The problem is that the DMA

4K Pagecontroller used on PC motherboards is only capable of

transferring data to a contiguous block of memory. However, Microsoft Windows 95 and Windows NT use allocate

Digitizermemory in 4K byte pages. A data acquisition program might have a large buffer, but the buffer will be scattered 4K byte 4K Pagepages in physical memory. The DMA controller can transfer to only one page at a time. When done with a page, it interrupts the host computer. The device driver for the

4K Pagedigitizer must then reload the DMA controller for the next page. Computer MemoryNormally these periodic interrupts are not a problem.

For example, even at the full 330kHz rate of the Digidata 1200, a 4K page is filled only every 6ms. The interrupt handling in the driver might take 50us on a fast processor. Less than 1% of the time of the processor is taken servicing interrupts.

However, a problem occurs under multitasking operating systems such as Microsoft Windows NT, because many other activities can take place simultaneously. If another device driver is performing processing and has locked out interrupts temporarily, the digitizer device driver may have to wait to service the DMA controller.

To deal with this problem, Axon Instruments has increased the buffer memory in the Digidata from 2K samples in the Digidata 1200 to 8K samples in the 1200A and 1200B. This increase allows the unit to buffer data for up to 24ms even at 330kHz, avoiding problems. Data Transfer: Buffers

The Instrutech Corporation ITC-16 and ITC-18 do not use DMA. Instead, they use a large buffer to hold data until it can be processed by the host computer. The data is then transferred to the host computer by programmed I/O. That is, the device driver performs the transfer. On current computers, programmed I/O is about as efficient as DMA. These computers are generally limited in performance by the memory system. Therefore, even through a DMA transfer occurs without the intervention of the host computer, the transfer ties up the memory, which effectively stalls the processor. The Instrutech digitizers do not provide interrupts to the host computer. Instead, host computer periodically polls the device to obtain data. This polling is performed periodically by the

application program (i.e. HEKA Pulse or Bruxton Corporation Acquire. Since the polling may be infrequent, the digitizer needs a large buffer. For example ,if a program can poll the digitizer only once every 100ms,the digitizer must have a 20000 sample memory to operate at 200kHz.The Instrutech ITC-16 has a 16k sample FIFO. The Instrutech ITC-18 is available with either a 256k sample FIFO or a 1M sample FIFO. Data Transfer: PCI Bus Mastering

Some PCI bus data acquisition boards can write data directly into the memory of the host computer using bus mastering. Bus master data transfers do not use the motherboard DMA controller, and therefore can potentially support writing directly to a buffer composed of discontiguous 4K pages. In the future, bus master designs are likely to become popular. Those familiar with computer system design will notice that the PCI bus master transfers are in fact direct memory access (DMA) transfers. On PC systems, for historical reasons, the term DMA refers to the use of the DMA controller built in to the motherboard. Data Transfer: Output

The discussion so far has concentrated on data transfer for acquired data. If the digitizer is used for synchronous stimulation or control, the same data transfer problem occurs as for acquiring data. In fact, the total data rate doubles. Consider, for example, a stimulus/response measurement on one channel with a 100kHz sampling rate. Acquired data is received by the computer at 100kHz. Simultaneously, the stimulus waveform must be delivered by the computer to the digitizer at 100kHz. The full data rate 200kHz.The Axon Instruments and Instrutech digitizers have symmetric handling of inputs and outputs. The output buffers are the same size as the input buffers, and the same data transfer technique is used. Measurement Accuracy

The following sections discuss the issues that influence the accuracy of dynamic measurements. Crosstalk

Most digitizers record from multiple analog input channels, with 8 or 16 input channels being commonly supported. An important specification is the crosstalk between input channels, that is, the amount of input signal from one channel that appears on another channel.

Crosstalk is a problem because many Multiplexer Channel Adigitizers use a single analog to digital

Channel Bconverter, and a switch called a

A/Dmultiplexer to select between input Channel Cconverter Channel Dchannels.

The multiplexer itself is a source of

crosstalk. Even when a switch is open, capacitive coupling between the input of the switch and the output of the multiplexer produces a frequency-dependent crosstalk. High-frequency input signals are coupled to the multiplexer output even when they are not selected.

To measure such crosstalk, ground an analog input and sample from it. Meanwhile, connect a high-frequency signal to other input channels. Notice the amplitude of the high-frequency signal that appears on the grounded input. This is the crosstalk. Vary the input frequency and notice the change in the amount of crosstalk.

Crosstalk may not be significant when a digitizer is used for patch-clamp data acquisition. Typically one analog input is used for the ion channel signal, while other analog inputs are used to

measure very low-frequency signals. The low-frequency signals do not couple significantly to the ion channel signal. The ion channel signal does couple into the low-frequency channels, but this can generally be eliminated by averaging many input samples on those channels.

If you measure on several channels containing high frequency data, characterize the crosstalk of your data acquisition system before you do so. Otherwise you may find yourself measuring correlations in input data due to your digitizer instead of the system being measured.

This problem will become less significant with time, as the cost of A/D converters drops. Digitizer manufacturers can afford to place one A/D converter for each input channel, avoiding the use of a multiplexer. Settling Time

The settling time of the A/D converter input may limit the rate of multi-channel sampling. The input amplifiers on many A/D

Multiplexerconverters cannot follow very high Afrequency input signals. When the

Bmultiplexer switches channels, this appears Cas a sudden jump in signal level to the input Dof the A/D converter. At low sampling rates,

the A/D input will have considerable time to settle before converting the next sample. At high sampling rates, the input may not have time to settle, and the input signal on one channel affects the value measured on the next.

To see this effect, ground all inputs of a digitizer except one. Connect this input to a variable DC level. Sample at a high rate on multiple channels. Notice if changing the input level on one channel causes the value measured on one of the grounded channels to change.

Frequently, digitizers achieve full bandwidth only when the multiplexer is not being used, and the digitizer is sampling from only a single input channel.

The Axon Instruments Digidata 1200A/B and the Instrutech Corporation ITC-16 both use a single A/D converter and a multiplexer. The Instrutech Corporation ITC-18 uses a separate A/D converter per input channel. While this raises the cost of the device, it essentially eliminates crosstalk. Grounding

The digitizer is electrically part of your instrumentation system. This can cause problems if you do not consider the digitizer when planning the grounding of your instrumentation.

If your digitizer is used only for acquisition, you can take advantage of differential analog inputs to avoid connecting your digitizer directly to your measurement ground through signal cables. However, if you use the analog outputs of your digitizer this may not be possible, since analog outputs are rarely differential.

Analog outputs are particularly a problem if the digitizer ground is the same as the computer ground. Computer ground lines usually transmit high-frequency switching noise. The noise can be coupled through the common ground into your measurement system. This is a common failing of low-cost digitizer boards.

The Instrutech ITC-16 and ITC-18 use optical isolation in the digital control path of the digitizer. This completely isolates the measurement system from the computer ground. Input Impedance

The FET-based input amplifiers used in modern digitizers have a very high input impedance.

If inputs are left unconnected, they can pick up unwanted signals and couple them into the digitizer.

The Axon Instruments Digidata 1200A/B and the Instrutech ITC-16 have very high impedance analog inputs. For best results, unused inputs on these devices should be grounded.

The Instrutech ITC-18 has bleed resistors connected internally between the analog inputs and ground to reduce pickup of stray signals. Grounding of unused analog inputs is less critical with this device. Phase

If you are sampling from multiple input channels, you may be interested in the phase relationship between the inputs.

Digitizers that use a single multiplexed A/D converter inherently have a delay between measurements on different input channels. For example, if two channels are being sampled, each at interval T, most multiplexer-based digitizers will sample successive channels at interval T/2. Sample number N on channel A and sample number N on channel B will be separated in time by T/2.

For most applications, this delay is not of concern. However, in some cases the phase relationship between signals is of interest.

To limit the phase shift between channels, you can ample at a very high rate. If you can sample quickly enough, you can minimize the delay between samples.

An alternative solution is to sample from successive channels at high speed in a burst. Some digitizers provide sophisticated internal timers that allow you to sample a group of channels quickly, then delay for the next sample. For example, suppose your sampling rate is 1kHz on four channels. With most digitizers, you would sample at an interval of 250ms. However, if your digitizer has the capability, you could sample the four channels at an interval of only 10ms, then wait until a full 1000ms interval has elapsed before the next sample.

You can also correct for the error in software. You maybe able to adjust your calculations for the delay. For example, the HEKA Pulse program is aware of some of the delays in the Instrutech ITC-16, and adjusts for them.

The best solution is to use a digitizer without a multiplexer. Some digitizers, such as the Instrutech ITC-18 and the Markenrich CL522, provide an A/D converter for each input channel. This allows all channels to be sampled simultaneously, with no delay. Using multiple A/D converters is by far the best solution, but it is also the most expensive. Synchronization

Digitizers may provide analog outputs used for stimulation and control. The analog outputs are updated at the same rate the analog inputs are sampled, and have sufficient buffering to allow continuous stimulation while recording.

When using a digitizer to measure the response of a system to a stimulus, be aware of the time relationship between stimulation and sampling. Two effects must be considered: the pipeline and the device timing.

Digitizers generally have pipelines of input and output samples. For example, the A/D converter usually delivers a digitized data value while it converts the next value. Data values may be temporarily buffered in internal registers while being transferred. This usually leads to a delay of three to five samples in a pipeline.

To see the effect of this pipeline, suppose that at a stimulus value appears on one of the

digitizer outputs. Simultaneously an analog input is sampled. Even if the system being measured has no delay, several sample times will pass before the analog input value resulting from the stimulus passes through the pipeline. When measuring the response of a system to a stimulus, this delay must be taken into account. Depending on the digitizer design, this delay may be a function of the number of channels being sampled or stimulated.

Analog input sampling and analog output update may not be simultaneous. The designer of a digitizer usually tries to minimize analog input measurement noise. When analog outputs are updated, the transition may cause electrical disturbances that appear as noise on the analog inputs. Capacitive coupling from the outputs to the input can appear as noise on the inputs. Noise can also be a result of coupling through the power supply or ground.

A simple technique to minimize this noise is to choose the phase relationship of sampling and update to allow as much time to pass following an update before the next sample. For example, if the sampling interval is T, the analog inputs might be sampled at time 0 and the analog outputs might be updated at time T/2.

If you are interested in measuring the response of a system to a stimulus precisely, you will have to obtain information from the vendor regarding the synchronization of stimulation and response.

附录B 英文文献译文

数据采集：简介

Bruxton公司

这是一个非正式引入数字数据采集硬件。它主要是针对用于记录与收购计划协助在选择适当的硬件。

概观

原则上，数据采集硬件是相当简单的.一个的A / D转换器提供了一个序列值代表一个模拟信号的取样。在实践中，选择和正确使用数据采集硬件更为复杂。本文提供了一个非正式的介绍。

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许多例子都取自膜片钳记录。这种技术需要准确地采集低电平信号（皮安），音频范围内的带宽（高达10kHz）。 背景

一种数据采集系统中的信号转换成一个数字值序列来自从传感器的。该传感器连接到一个放大器，该放大器的信号转换成一个潜在的。该放大器是依次连接到数字转换器，其中包含一个A / D转换器使用数字转换器产生的序列的值，表示信号。

传感器放大器数字转换器+3.250+3.100+2.500+1.745+0.985信号源

大多数被数字化的信号源传感器，都被连接到一个放大器调节.放大器提供一个电信号。然后，这个信号用一个A / D转换器数字化。

对于膜片钳记录中，传感器解决方案充满移液器。吸移管被连接到上面的移液管或高电平信号通过移液管的电流电压转换的一个膜片钳放大器。按照惯例，一个膜片钳放大器的满量程输出范围为±10V，相匹配的一系列常见的仪表质量数字化仪。

数字转换器

甲数字转换器转换成一个或多个通道的模拟信号相应的数字值序列。数字化仪的心脏是一个A / D转换器，一个装置的模拟信号进行采样，并将其转换为数字值的样本

例如，数字化仪，用于记录从一个单一的离子通道，可能确定每50ms一次的膜片钳放大器的输出，并提供所得到的值的计算机。

采样定理

数据采集的目的是分析以数字形式的模拟信号。这是可能的，数字转换器产生的序列的值必须代表原来的模拟信号。

采样定理指出，这是一个模拟信号的情形。采样定理指出，从一个序列的样本以均匀的时间间隔，只要采样频率可重构是不小于两倍的信号带宽。例如，假设一个信号包含的频率从直流（0Hz的）到10kHz。这个信号必须被采样的速率至少为20kHz的正确重建。

作为一个实际问题，采

样率应该是几次感兴趣的最高频率的最小采样速率。例如，要解决一个10kHz的信号，需要的最小采样速率为20kHz，但在实践中，应使用的采样速率为50kHz或更。

控制

在此讨论中的是模拟信号数字化的计算机。在许多情况下，计算机也可以产生模拟控制信号。例如，在膜片钳实验中电压门控离子通道，计算机被频繁地使用，以产生电刺激激活的通道。这些控制信号都采用一个D / A（数字到模拟）转换器。

从传感器到信号

许多信号源包括一个感应器和一个放大器。该放大器的输出转换到的信号进行数字化的传感器。

前置放大器

位于尽可能接近传感器前置

探头放大器放大器都建有许多仪器仪表系统。

一个单独的放大器，前置放大器转换输出到一个高层次的信号。名次

微电极接近传感器前置放大器，降低了噪音，通过允许要被放大的信号通过电缆之前被发送。由于在传感器附近的物理空间是有限的，在前置放大器是尽可能的小，与散装位于在放大器的电子设备。

例如，在膜片钳设置，传感器是一个充满溶液的吸液管，前置放大器是头阶段，且放大器膜片钳放大器本身。

信号调节

许多传感器提供的信号才可以被数字化，必须转变。例如，一个微电极移液管可用于测量电流，而数字化仪测量电位（电压）。膜片钳放大器提供了电流 - 电压放大，通常以每PA的输入输出mV的。这种变换的传感器信号被称为信号调理。

信号调理可能会更复杂。一个非线性传感器的输入信号可被转换成的电压是线性的被测量的量，补偿可以由二阶影响，如温度，或间接的影响，如频移可被转换成的电压。 集成的数字化仪

作为A / D转换下降的成本，数字化功能可以被移动到放大器。例如，HEKA电子的EPC-9膜片钳放大器包含一个内置的数字化设备（InstruTech产品ITC-16）。

数字转换器集成到一个放大器可以大幅降低总噪声的数字化信号中，由于模拟信号通过电缆不进行从放大器到一个外部数字转换器。小心仪器规格比较时，一个内置的数字化模拟放大器。包括数字化电子放大器外壳可能会增加噪声和数字转换器本身可能会增加噪音的信号。然而，在数字化的信号的总噪声可能会远小于，如果一个外部数字转换器的使用。在一个放大器的一个集成的数字转换器的组合的模拟放大器和一个外部的数字化仪进行比较。

数字化仪集成到一个放大器的一个主要优点是，放大器设计师可以很容易地包括电脑控制的功能。此类放大器连接到一个数据采集程序，可以再提供一个集成的用户界面，简化了操作。此外，收购程序，可以记录所有的放大器的设置，简化了数据分析。

从信号到采样

甲数字转换器包括一个A / D（模拟到数字）转换器进行采样的模拟输入信号，将其转换为一个数字值序列。

混叠

采样定理的状态，以便能够重构信号，采样速率必须是至少两倍于信号带宽。如果一个信号包含的频率高于采样频率的一半分量，会发生什么事？采样率的一半以上的频率分量出现在较低的频率采样数据。

的表观频率的采样信号的实际频率的模数采样率的一半。例如，如果一个26kHz的信号进行采样，在50kHz，它似乎是1kHz的信号的采样数据的。这种效应被称为混叠。 抗混叠滤波器

如果以进行数字化的信号成分在频率大于半采样频率，抗混叠滤波器是必需的，以减少信号带宽。抗混叠滤波器，必须切断上述信号分量的采样率的一半。

大多数信号源固有的频带受限的，所以在实践中，抗混叠滤波器也常常不是必需的。然而，一些信号源产生宽带噪声，必须除去一个抗混叠滤波器。

例如，膜片钳放大器内置抗混叠滤波器。膜片钳记录用于吸移管固有的过滤上述取值范围为1kHz的低频信号。膜片钳放大器的良好的高频响应来实现仅由升压的高频分量的信号，以补偿的移液管的频率响应。这可能会产生明显的高频噪声。一个补丁钳放大器提供了一个过滤器来消除这种噪声。

集成转换器

讨论混叠时假定瞬时采样。产生的输出值，由A / D转换是指瞬时模拟信号幅度。这种采样的A / D转换器是最常见的用于仪器仪表。

有些A / D转换器采用积分转换技术。这样的数字转换器所产生的输出值表示在采样间隔的模拟信号幅度的积分。这种转换器消除锯齿。它们可以被看作是包含一个内置的抗混叠滤波器的。

很少用于高速控制的应用集成转换器。最常用的技术用于实现高速积分转换结果之间的模拟采样和相应的数字转换器的输出值的采样间隔的延迟。这种延迟可以推出，如果数字转换器的控制系统中使用的闭环响应在高频率中的相当大的相移。

分辨率

通常，数字化仪提供的计算机，固定长度的二进制数。例如，Axon的仪器Digidata 1200A产生12位的数字，而InstruTech产品公司ITC-16产生16位的数字。每个值的长度被称为的移动设备，以位为单位的分辨率。

分辨率可以翻译成一个绝对的输入电平。大多数数字化仪测量摆幅高达从零到约10V，20V的总范围。一个12位的值，分辨率为4096分之1，所以一个12位数字化仪的分辨率20V除以4096，或大约为5mV。这表示说，一项改变（或至少显着位，或LSB）表示为5mV。

数字转换器分辨率（+10 V范围）分辨率8 bits10 bits12 bits14 bits16 bits18 bits区分值2561024409616384655362621441 LSB(近似值)80mV20mV5mV1.25mV300μV75μV

由于很少有模拟仪器的精度显着超过0.1％，它似乎是数字化在一个10位或11位分辨率范围内就足够了。然而，更精确的分辨率是必要的，因为输入信号经常不在整个输入范围。例如，即使仪表放大器的增益已被调整，以产生与一个20V的范围内的输入信号，用2V范围内的小元件发出的也可能是一个分辨率为0.1%的范围在2V到 20V内的信号，而其至少需要有13位的分辨率。

准确性

几种规格被用于表达特定的数字化仪的精度。

如何精确的数字值代表模拟输入的绝对精度表示。例如，可能具有数字化转换器4096

的1份，其绝对精度。这也可以说，数字化仪有12位绝对精度表示。

相对精度表示，如何精确的数字化测量两个模拟输入值之间的差异。这通常是比绝对精度更大的兴趣。

噪声规范表示数字转换器的输出会随模拟输入没有变化多少。这是经常表示为比特数。例如，一个16位的数字转换器与两位噪声将有效地产生一个14位数字化仪相同的结果。

数字化仪的准确度，变化很大，它的最大采样速率。更精确的数字化，慢。 阅读数字化仪规格时一定要小心。在某些情况下，制造商发布了A / D转换器中使用数字化仪作为整个数字化仪规格的标准。然而，数字化仪的准确度可能会显着地减少。数字化仪可以包括必要的元件，如放大器和基准电压源，降低的准确性。此外，A/ D规格仅适用于特定的条件下转换器数据手册中的描述。在数字化，这些条件可能不适用。

从采样到传输到电脑

一旦数据被数字化，必须将其传送到计算机上。数字化仪通常内置的电脑插件板，所以转让发生在计算机总线。

用于测量高速数字化仪可以养活高和恒定速率的数据传输到计算机。例如，数字化仪上运行的一个信道在100k的样本/秒的通常会连续产生200k的字节/秒的数据。这是一个大的数据流。

连续性质多的数据采集需要某种缓冲。例如，如果计算机停止30ms的数据写入到磁盘或更新显示，6000字节的数据就会聚积起来。数据必须存储在某个地方，或将丢失。 数据传输：DMA

Axon的仪器Digidata1200使用DMA（直接存储4K 页器访问）将数据传输到电脑主机的记忆。的DMA传输

4K 页着手无论几近主机。

DMA传输上遇到的问题，在连续收购。的问题是，

数字转换使用PC主板上的DMA控制器只能够将数据传送到一器个连续的内存块。然而，微软的Windows95和Windows

4K 页NT使用4K字节页分配内存。数据采集程序可能有一个大的缓冲区，但缓冲区将分散在物理内存中的4K字节页。 DMA控制器可以转移到只有一个页面的时间。当完成一个页面时，它将中断主机。数字化的设4K 页备驱动程序，然后重新翻页DMA控制器。

计算机内存通常情况下，这些周期性的中断是不是一个问

题。例如，即使在全为330kHz的速率的Digidata1200，一个4K缓冲区加载都只需6ms。在驱动程序的中断处理快速的处理器可能需要50微秒，处理器服务中断小于1％小时。

然而，问题会在多任务操作系统，如Microsoft Windows NT，因为许多其他的活动可以同时进行。如果另一个设备驱动程序进行处理，并已锁定暂时中断，数字化设备驱动程序可能必须等待维修的DMA控制器。

为了处理这个问题，Axon仪器增加了从2K缓冲存储器Digidata的样品中至8K Digidata1200样本中的1200A和1200B。此增加使单位来缓冲数据，即使在高达24MS为330kHz，也能够避免失真。

数据传输：缓冲器

InstruTech产品公司ITC-16和ITC-18没有使用DMA。相反，他们使用一个大的缓冲区来保存数据，直到它可以由主机处理。然后，数据传送给主计算机，由编程的I / O。即，设备驱动程序执行转移。在目前的电脑，可编程I / O效率DMA。这些计算机通常由存储系

统在性能上的限制。因此，即使是通过DMA传输电脑主机的干预没有发生，转移关系的内存，从而有效地摊点处理器。InstruTech产品的数字化仪提供不中断主机。相反，电脑主机定期轮询设备获取数据。此轮询定期进行应用程序（即HEKA脉冲或Bruxton的公司收购。由于投票站可能是罕见的，数字化需要一个大的缓冲区，例如，如果一个程序可以轮询只有一次每100ms数字化，数字化仪有20000样品内存在200kHz操作。InstruTech产品ITC-16有16K采样FIFO InstruTech产品ITC-18是一个256K的采样FIFO或1M采样FIFO。 数据传输：PCI总线主控

一些PCI总线的数据采集板可以直接写入数据到上位机采用总线主控的记忆。总线主数据传输不使用主板的DMA控制器，因此有可能支持直接写入不连续4K的页面组成的缓冲区。在未来，总线主控设计有可能成为流行。那些熟悉计算机系统设计，会发现，其实直接内存访问（DMA）传输PCI总线主转移。在PC系统上，由于历史原因，长期的DMA是指使用DMA控制器内置在主板的。

数据传输：输出

到目前为止的讨论集中在数据传输采集到的数据。如果数字转换器是用于同步的刺激或控制，用于获取数据相同的数据传输发生问题。事实上，总数据速率加倍。考虑，例如，通过100kHz的采样率的一个频道上的一个激励/响应测量。接收采集的数据由计算机在

100kHz。同时，激励波形必须由计算机交付到数字转换器在100kHz。全数据速率为200kHz。 Axon仪器和InstruTech产品数字化仪有对称处理输入和输出。输出缓冲器的输入缓冲器的大小相同，并使用相同的数据传输技术。 测量精度

以下各节讨论的动态测量精度的影响问题。

串扰

大多数数字化仪记录从多个模拟输入通道，8个或16个输入通道，普遍支持的。一个重要的规范是输入通道，也就是，从一个信道，出现在另一信道的输入信号的量之间的串扰。

串扰是一个问题，因为许多数字化仪使

多路复用用一个单一的模拟到数字转换器，和一个开通道A 关被称为多路转换器之间进行选择输入通通道BA/D 转换道。多路转换器本身是串扰的一个源。即使 通道C器当开关打开时，输入的开关和多路转换器的 通道D输出之间的电容耦合产生的与频率相关的

串扰。高频输入信号被耦合到多路复用器的输出，甚至当它们没有被选中。

为了测量这种串扰，地面模拟输入和样品。同时，连接到另一输入端通道的高频信号。请注意，出现在接地的输入的高频信号的振幅。这是串扰。改变输入频率，并通知中的串扰量的变化。

串扰可能不显着的，当用于膜片钳数据采集数字化仪。通常，一个模拟输入用于离子通道信号，而其他模拟输入是用来测量非常低的低频信号。离子通道信号的低频信号没有显着的情侣。该离子通道的信号耦合到低频率的信道，但一般都可以消除许多这些通道上的输入样本的平均。

如果测量多个通道上包含高频数据，描述数据采集系统的串扰，在你这么做之前。否则，你可能会发现自己输入数据，由于您的数字化，而不是测量系统测量的相关性。

随着时间的推移，这个问题将变得不那么重要，作为A/ D转换器的成本下降。数字化仪的制造商可以承受一个A / D转换器可用于将每个输入通道，避免了使用一个多路复用器。 建立时间

A/ D转换器输入的建立时间可能会限制多通道采样率。 许多A / D转换器的输入放大器不能

多路复用按照频率非常高的输入信号。当多路转换A器切换频道，这出现在A / D转换器的输B入端的信号电平作为一个突跳。在低采样C率，A / D输入将有相当长的时间来解决D之前，转换下一个样品。在高采样率，输

入可能没有时间来解决，在一个通道的输入信号的影响就下测得的值。

要看到这样的效果，所有输入接地，数字化仪，只有一个除外。连接该输入的可变DC电平。样品以很高的速率在多个渠道上。请注意，如果改变一个通道的输入电平，导致测量值改变接地通道之一。

通常情况下，数字化仪实现全带宽只有在不被使用的多路转换器，数字转换器的采样只从一个输入通道。

Axon仪器Digidata的1200A / B和InstruTech产品公司ITC-16都使用一个A / D转换器和多路复用器。公司ITC-18 InstruTech产品使用一个单独的A / D转换器，每输入通道。虽然这引起了装置的成本，它基本上消除了串扰。

接地

数字化仪电仪表系统的一部分。这可能会造成问题，如果你不考虑数字化规划时，您的仪器的接地。

如果您的数字化仪仅用于收购，你可以利用差分模拟输入，以避免直接测量地面通过信号电缆连接您的数字化。然而，如果你使用的模拟输出数字化仪这可能是可能的，因为很少差分模拟输出。

模拟输出是特别的问题，如果数字转换器的接地是相同的计算机地面。计算机接地线，通常发射高频开关噪声。噪声可以通过耦合到测量系统中的共同点。这是一个低成本数字化板的通病

InstruTech产品ITC-16和ITC-18使用的光隔离数字控制的数字化路径。这从计算机地面完全隔离了测量系统。

输入阻抗

现代数字化仪中使用的基于FET的输入放大器，具有非常高的输入阻抗。如果输入悬空，他们可以拿起不必要的信号和夫妇到数字化。

Axon仪器Digidata1200A/ B和ITC-16 InstruTech产品有非常高阻抗模拟输入。为了达到最佳效果，在这些设备上未使用的输入应接地。

InstruTech产品ITC-18泄放电阻之间的内部连接模拟输入和地面，以减少杂散信号皮卡。未使用的模拟输入接地与此设备是不太重要的。

相位

如果从多个输入通道采样之间的相位关系的输入，你可能会感兴趣。 使用单一的数字化仪，多路A/ D转换器本身有不同的输入通道之间的延时测量。例如，如果两个通道都被采样，在时间间隔T中，大多数多路转换器为基础的数字化仪，将样品在T / 2时间间隔的连续通道。样本数N通道A和通道B的采样数N将在时间上分开，由T/ 2。

对于大多数应用中，这种延迟是不关心。然而，在某些情况下，信号之间的相位关系的兴趣。

为了限制渠道之间的相移，你可以在一个非常高的速度充足。如果你可以品尝足够快的速度，你可以最大限度地减少样本之间的延迟。

一种替代的解决方案是在突发的高速连续通道采样。一些数字转换器提供先进的内部定时器，让您迅速品尝一组通道，然后延迟下一个样本。例如，假设您的采样速率为1kHz四个通道上。对于大多数数字转换器，你会品尝的时间间隔为250ms。然而，如果你的数字化仪有能力，你可以品尝到只有10毫秒的间隔四个通道，然后等待，直到一个完整的1000毫秒的时间间隔已经过去了，再下一个样品。

您也可以修正软件错误。你也许能够调整您的计算延迟。对于例如，HEKA脉冲的程序是知道的一些延误InstruTech产品ITC-16，并为他们调整。

最佳的解决方案是使用没有多路转换器的数字化仪。某些数字化仪，如InstruTech产品ITC-18和在Markenrich CL522，为每个输入通道提供一个A / D转换器。这允许所有通道同时采样，没有延迟。使用多个A/ D转换器是迄今为止最好的解决方案，但它也是最昂贵的。

同步

数字化仪可提供模拟输出，用于激励和控制。模拟输出被更新，以同样的速度的模拟输入进行采样，并有足够的缓冲，以允许同时记录连续刺激。

当使用数字化测量系统的响应刺激的激励和采样时间之间的关系，做到心中有数。必须考虑两方面的影响：管道和设备的时间。数字转换器通常具有管道的输入输出样本。例如，A/ D转换器通常提供了一个数字化的数据值，而它的下一个值转换。数据值可能会暂时缓存在内部寄存器中，而被转移。这通常会导致在管道中的延迟三至五个样品。

要看到这条管线的效果，假设在一个激励值出现在一个数字化的输出。同时模拟输入的采样。即使被测系统具有无延迟，几个采样时间将通过模拟输入值产生激励前通过通道。测量系统的响应激励时，这种延迟必须被考虑在内。根据不同的数字转换器的设计，这种延迟可能是被采样或激励的信道的数目的函数。

模拟输入采样率和模拟输出更新可能不同步。数字化仪的设计者，通常试图减少模拟量输入测量噪声。当模拟输出更新，过渡可能造成电气干扰，出现噪声对模拟输入。从输出到输入电容耦合可以显示为输入噪声。噪声可以也是通过电源或接地的耦合的结果。

一个简单的技术来减少这种噪音是选择采样和更新，让尽可能多的时间来通过下一个样品前更新后的相位关系。例如，如果采样的时间间隔为T时，模拟输入可能被采样在时间0时的模拟输出可能会更新在时间T/ 2。

如果系统对测量激励的响应有影响的话，那么必须从激励源那里去获取激励的同步信息以及响应。