2.7 数据采集与处理类赛题分析与方案设计实例

2.7.1 数据采集与传输系统（2001 年E题）

1.赛题要求[2]

设计制作一个用于8路模拟信号采集与单向传输系统。系统方框图如图2.7.1所示。

（1）基本要求（50分）

① 被测电压为8路0～5V分别可调的直流电压。系统具有在发送端设定8路顺序循环采集与指定某一路采集的功能；

② 采用8位A/D变换器；

③ 采用3 dB带宽为30～50 kHz的带通滤波器（带外衰减优于35 dB/十倍频程）作为模拟信道；

④ 调制器输出的信号峰-峰值usp-p为0～1 V可变，码元速率16 kB（码元/秒）；制作一个时钟频率可变的测试码发生器（如0101…码等），用于测试传输速率；

⑤ 在接收端具有显示功能，要求显示被测路数和被测电压值。

（2）发挥部分（50分）

① 设计制作一个用伪随机码形成的噪声模拟发生器，伪随机码时钟频率为96 kHz，周期为127 位码元，生成多项式采用f（x）=x7+x3+1。其输出峰-峰值unp-p为0～1 V连续可调；（5 分）

② 设计一个加法电路，将调制器输出usp-p与噪声电压unp-p相加送入模拟信道。在解调器输入端测量信号与噪声峰-峰值之比（usp-p/unp-p），当其比值分别为1、3、5 时，进行误码测试。测试方法：在8 路顺序循环采集模式下，监视某一路的显示，检查接收数据的误码情况，监视时间为1 分钟；（20 分）

③ 在usp-p/unp-p=3时，尽量提高传输速率，用上述第②项的测试方法，检查接收数据的误码情况；（15分）

④ 其他（如自制用来定量测量系统误码的简易误码率测试仪，其方框图见图2.7.2）。（10分）

2.赛题分析与设计方案实例[6,9]

根据赛题要求，可将系统划分为8路模拟信号的产生与A/D变换器，发送端的采集与通信控制器，二进制数字调制器，解调器，3 dB带宽30～50 kHz的带通滤波器作为模拟信道，时钟频率可变的测试码发生器，接收端采集结果显示电路等几部分。

此外，为完成发挥部分的要求和实现系统功能扩展，还可增加用伪随机码形成的噪声模拟发生器；加法电路；通信编码与软件纠错等部分；以及制作简易误码率测试仪。

一个数据采集与传输系统设计方案的方框图如图2.7.3所示。

为实现8路数据的采集和单向传输，在发送端和接收端各使用一片可以精确设定波特率的AT89 S52单片机，控制数据采集、通信和结果显示。通信方式为FSK调制，锁相解调。为提高通信可靠性，采用二维奇偶校验码和连续发送/三中取二接收。此外，在软件中进行了功能扩展，用户可以通过键盘操作实现数据通道的切换和精确的波特率分挡。

（1）8路模拟信号的产生与A/D变换器电路

被测电压为0～5 V通过电位器调节的直流电压，采用LM317 构成的可调稳压电路。A/D变换器采用专用芯片ADC0809。ADC0809 与发送端单片机AT89S52 连接。ADC0809是8 位A/D转换芯片，具有8 位分辨率，最大不可调误差小于±1 LSB。

（2）单片机和键盘显示器的接口电路

系统采用的双单片机方案，在发送端和接收端分别有一个AT89 S52最小系统。AT89S52单片机通过专用的键盘显示器接口芯片8279与键盘和显示器相连。

发送端的采集与通信控制器采用AT89 S52单片机作为这一控制系统的核心，接收来自ADC0809的数据，并利用AT89S52单片机内置的专用串行通信接口电路将数据进行并/串转换后输出至调制器。发送端采用4×4键盘作为输入控制，通过键盘控制采集方式是循环采集方式或选择采集方式。同时，也可以利用键盘进行其他扩展功能的切换。此外，为便于通道监视和误码率测试，在发送端扩展了采集数据的显示功能。AT89 S52单片机内置专门的波特率发生器，可以较小的步进精确设定波特率。

接收端采集结果显示电路使用一片AT89 S52单片机系统作为数据采集/显示系统的核心，利用AT89 S52内部集成的专用串行通信电路实现数据采集和串/并转换，并可以通过波特率编辑器响应发送端波特率的变化。

（3）二进制数字调制器电路

二进制数字调制方式选用FSK调制方式，选择两个载波频率为32 kHz和48 kHz，并且以单片函数发生芯片XR2206 为核心构成FSK调制电路，它在进行FSK调制时相位是连续变化的，工作频率可由外部选择，其范围为0.01 Hz～1 MHz，电源电压10～26 V，可调的占空比范围1%～99%。

（4）解调器电路

解调器采用锁相环FSK解调方式。

方案一：采用MM74HC4046 构成的FSK解调电路，其最高频率能达到12 MHz，完全能满足要求。但使用时应注意正确选择LPF参数和VCO部分的外部电阻参数，以控制锁定频率范围。

方案二：采用XR2211 构成的FSK解调电路。XR2211 是一个专用的FSK解调器芯片，频率范围0.01 Hz～300 kHz宽，电源电压范围4.5～20 V，与HCMOS/TTL/逻辑电平兼容，动态范围10 mV～3 V，可调的跟踪范围1%～80%。

（5）3 dB带宽为30～50 kHz的带通滤波器电路

为在通带内获得最大平坦，选择巴特沃兹型带通滤波器，指标为fCL=30 kHz，fCH=50 kHz，阻带衰减斜率≥35 dB/十倍频。

电路可以采用单重反馈、单位增益、单运放一次实现的低一、高通三阶节，但该三阶节灵敏度偏高，元件值误差和温度变化会严重影响滤波特性。采用高、低通滤波器级联的方式来实现有源带通滤波。

设计时可用采用NI Multisim对该带通滤波器进行仿真，以满足设计要求。

有源带通滤波器也可以选择开关电容滤波器IC芯片构成，如LMF100开关电容滤波专用芯片等。

（6）时钟频率可变的测试码发生器电路

测试码发生器产生的测试码主要用于测试传输速率，对于码型没有特别要求，可以采用频率可调的方波信号（0101…码）。电路可采用函数发生器芯片MAX038 或者ICL8038 构成，可构成线性误差小于0.1%，输出频率范围0.001 Hz～300 kHz的V/F转换电路，可较好地满足生成测试码的要求。

（7）伪随机码发生器和加法电路

伪随机码发生器和加法器电路：用两片4 级双向移位寄存器74HC/HCT194 级联成7 级移位寄存器。寄存器的7 路输出中任何一路都可以作为模拟噪声源。在噪声输出端用5 价电位器调节其峰-峰值在0～1 V之间变化，噪声通过一级射随器隔离后送运放NE5534 的同相输入端，实现与信号相加。

（8）数据通道的切换电路

采用模拟开关S1和S2分别在发送端和接收端实现数据通道的切换。S1 控制噪声信号是否加入通信通道，S2控制信号通过模拟信道或直接传输至信宿（此功能用于使原系统具有误码率测试功能），S1和S2都由键盘控制。

2.7.2 数字化语音存储与回放系统（1999 年E题）

1.赛题要求[2]

设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，其示意图如图2.7.4所示。

（1）基本要求（50分）

① 放大器1 的增益为46 dB，放大器2 的增益为40 dB，增益均可调；

② 带通滤波器：通带为300 Hz～3.4 kHz；

③ ADC：采样频率fs=8 kHz，字长=8位；

④ 语音存储时间≥10 s；

⑤ DAC：变换频率fc=8 kHz，字长=8位；

⑥ 回放语音质量良好。

（2）发挥部分（50分）

在保证语音质量的前提下：

① 减少系统噪声电平，增加自动音量控制功能；（15分）

② 语音存储时间增加至20 s以上；（5分）

③ 提高存储器的利用率（在原有存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）；（15分）

④ 其他（如校正等）。（15分）

（3）说明

不能使用单片语音专用芯片实现本系统。

2.赛题分析与设计方案实例[7,9,13]

赛题要求设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，而且规定不能使用单片语音专用芯片来实现本系统。系统设计的核心是需要完成语音信号的采样（ADC电路）、存储（存储器电路）与回放（DAC电路），语音前置放大要求增益可调，可以采用手动或者自动调节。音频输出功率放大没有特别的要求，可以采用常用的典型电路实现。

一个数字化语音存储与回放系统设计方案的方框图如图2.7.5所示。系统由语音输入、A/D转换、数据储存、微控制器系统、D/A转换和语音播放等电路组成。

（1）语音前置放大器电路

语音输入采用驻极体电容话筒（简称ECM）。为抵消语音输入背景噪声，可采用两个特性相同的驻极体电容话筒，将它们在空间上背对背安放，并在电气上通过适当连接，使它们的输出信号幅度相等、相位相反的叠加起来。这样，就能将两个话筒在所处环境下将拾入的背景噪声抵消掉。由于说话人只对准其中一个话筒讲话，因而有用的语音信号并不会被抵消掉。

双话筒语音输入级电路可以采用低噪声高输入阻抗的运算放大器OP27/37。

中间级放大电路最大增益要求为40 dB，增益可以通过电位器进行调节。运算放大器可采用NE5532N、NE5534 等芯片。

如果设计者买到的是只有两个外引脚驻极体话筒（其S与G引脚端在内部已经连接在一起）。可采用仪表放大器电路（如LF355）作为双话筒语音输入放大电路。

话筒的安装方法：将ECM1和ECM2背对背分别安装在同一圆柱形套筒上，话筒的两背之间用隔音材料填充起来，用屏蔽线将输出信号送到放大器的输入端。使用时先调节电位器W使输出噪声达到最小，录音时只要将ECM1和ECM2任意一个对着说话人即可。

（2）带通滤波器电路

根据设计要求，带通滤波器的通带范围为300 Hz～3.4 kHz，上下截止频率之比为3400/300=11.3≫2，是一个宽带滤波器，无法采用一般的带通滤波器的设计方法来实现，但可以采用低通滤波器级联高通滤波器的方法来实现。

从设计要求可知，低通滤波器的通带（上限）频率fc=3.4 kHz，阻带频率fs/2=4 kHz，通带内的衰减≤-3 dB，阻带内的衰减≥-40 dB。通过查表或者使用相关的滤波器设计软件可以计算出该低通滤波器的阶数：巴特沃兹滤波器需要29 阶，切比雪夫滤波器需要10 阶，椭圆滤波器需要5 阶，贝塞尔大于20 阶。低通滤波器可采用8 阶开关电容椭圆滤波器MAX7403芯片实现，也可以采用由运算放大器构成的5 阶椭圆低通滤波器电路结构。

从设计要求可知，高通滤波器的通带（起始）频率fL=300 Hz，为了抑制工频干扰，可将阻带频率定为50 Hz，通带内衰减≤-3 dB，阻带内的衰减≥-40 dB。高通滤波器可采用双2阶通用开关电容有源滤波器MAX260 芯片，通过单片机精确地控制MAX260 滤波器的功能，实现低通、高通、带通、点阻及全通之类的各种滤波器。也可以采用运算放大器构成的3 阶巴特沃兹高通滤波器电路结构。

（3）A/D转换器电路

A/D转换器电路采用ADC0804（字长8 bit，转换速率10 kHz）芯片。ADC0804 完成一次模/数转换需要100 μs的时间，在此期间送到ADC0804 输入端的模拟信号样本必须保持不变，否则会引起转换误差。因此，在ADC0804 之前还必须加上一级采样/保持电路（S/H），可以选用LF398 集成S/H芯片。

（4）单片机和D/A转换器电路

单片机采用AT89 S52 单片机。D/A转换器电路可采用双8 位数/模转换器AD7258 芯片，AD7258 具有单独的片内数据锁存器，数据通过公共输入口传送至两个DAC数据锁存器的任一个。控制输入端DACA/DACB决定哪一个DAC被装载。

（5）幅频特性校正电路

幅频特性校正电路采用一阶RC网络，这样做可补偿因D/A恢复语音信号时引入的高频分量的损失，对高频分量稍做提升，实现近似校正。

（6）音频放大器和自动增益控制（AGC）电路

音频放大器电路采用电压放大和功率放大两级组成。电压放大级可采用741 等运算放大器实现，功率放大级可采用专用芯片TDA2040、TDA2822 等来实现。

（7）A/μ律压扩电路

A/μ律压扩电路可以采用专用的集成电路实现，竞赛中由于工作量大、时间紧等关系，一般难以完成这部分电路（略）。

（8）其他部分有15 分，其中特别提出校正等要求，可以考虑增加校正、LCD显示等电路。

2.7.3 多路数据采集系统（1994 年B题）

1.赛题要求[2]

设计一个8路数据采集系统，其原理方框图如图2.7.6所示。

主控器能对50 m以外的各路数据，通过串行传输线（实验中用1 m线代替）进行采集和显示。具体设计任务是：

a.现场模拟信号产生器

b.8路数据采集器

c.主控器

（1）基本要求（50分）

① 现场模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200 Hz～2 kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5 V直流电压（200 Hz对应1 V，2 kHz对应5 V）；

②8 路数据采集器：数据采集器第1 路输入自制1～5V直流电压，第2～7 路分别输入来自直流源的5V，4V，3V，2V，1V，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第8 路备用。将各路模拟信号分别转换成8 位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

③ 主控器：主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1 路、2 路、…、8 路、…、1 路）和选择采集（任选一路）两种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。

（2）发挥部分（50分）

① 利用电路补偿或其他方法提高可变电阻值变化与输出直流电压变化的线性关系；（15分）

② 尽可能减少传输线数目；（15分）

③ 其他功能的改进（例如：增加传输距离，改善显示功能）；（10分）

④ 特色与创新。（10分）

2.赛题分析与设计方案实例[7,9]

赛题要求设计制作一个8 路数据采集系统，其中包含有自制一正弦波信号发生器、8 路A/D采样电路、50 m以外的数据传输等。正弦波信号发生器可以考虑采用专用IC芯片实现，如MAX038 等。8 路A/D采样电路的实现比较容易，许多微控制器内部就包含有该部分电路，可以直接利用。50 m以外的数据传输不能够采用简单的连线完成，需要采用RS485 等接口电路实现。

根据赛题要求设计的多路数据采集系统由正弦波发生器、F/V变换、A/D采集、主从微控制器通信与数据处理、键盘控制与数据显示几个模块构成，方框图如图2.7.7所示。

在本系统的设计中，采用双单片机的方法，即在数据采集的远端和近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、平滑与发送；近端完成数据接收、校验、纠错、处理与显示等。采用双单片机可以在高速率通信时，仍对数据进行校验和纠错以保证数据的正确。两片单片机均采用AT89S52芯片。在近端与远端的通信中，采用国际标准的RS485差分方式接口，使通信速率和传输距离均大大优于RS232标准接口方式，并且用线最少（仅用两根非屏蔽双绞线），在一定程度上可减低设备的复杂程度和成本。由于采用差分传输，可最大程度抑制共模信号，使抗干扰能力也有很大提高。

（1）正弦波发生器电路

正弦波发生器及F/V变换电路工作在远距离终端，用于模拟待采样的信号源。正弦波发生器电路采用高频波形产生器芯片MAX038。

（2）F/V变换电路

设计要求将200～2000 Hz的频率变换为1～5 V的电压，F/V变换采用精密且价廉的F/V变换器芯片LM331。

（3）A/D转换与数据采集电路

A/D转换与数据采集电路工作在远程数据采集端，用于采集8 路模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器采用ADC0809 芯片，直接与单片机的数据总线连接。

（4）主从单片机通信电路

当系统开始运行后，首先，近端（主）单片机发出一选通某路A/D转换的指令，并等待接收从机返回的信息。若主机未收到回送的数据或接收到的数据错误，则重发指令。三次重发均错，则报警灯亮，提请用户检查线路故障。

双机数据通信的接口电路采用RS485 国际标准接口。设计中采用MC3486（接收器）和MC3487（发送器）构成接口器件，传输线采用非屏蔽双绞线，传输速率为19.2 kbps，在此情况下可保证双机之间的良好通信。

（5）键盘与显示模块电路

设计中采用了一个4×3的键盘，其中包括0～7的8路通道选择数字键，以及单路显示和循环显示的切换键、两个显示切换键等功能键，可以同时选择两路或多路通道。显示器采用七段共阳数码管，配合通道选择开关，可在LED上同时显示一路或多路数据。键盘、显示控制采用键盘/显示控制专用芯片8279。