多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張軍權(quán) 姚舜才

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張軍權(quán) 姚舜才

本設(shè)計(jì)介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)、功能、原理和發(fā)展趨勢，并分析了系統(tǒng)的基本組成部分，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。

本設(shè)計(jì)通過查閱采集系統(tǒng)相關(guān)的資料，提出了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案。該電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并且存儲(chǔ)器還帶有掉電保護(hù)功能；在讀信號(hào)有效時(shí)，能把存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過并口線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過數(shù)據(jù)處理復(fù)現(xiàn)其輸入模擬信號(hào)的波形。

數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于智能儀器儀表、信號(hào)處理和工業(yè)自動(dòng)化等的過程中，都存在著模擬量的測量與控制問題。即將溫度、壓力、流量、位移及角度等模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在收集到微型機(jī)進(jìn)一步予以顯示、處理、記錄和傳輸這個(gè)過程稱為“數(shù)據(jù)采集”。相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)

數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測等各個(gè)領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成部分

1.測量系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、控制器、標(biāo)準(zhǔn)接口、儀器儀表、開關(guān)等組成。主要功能是對(duì)器件和系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、電阻進(jìn)行精密測試。精度較高。

2.測試系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)控制器、標(biāo)準(zhǔn)借口、測量設(shè)備和多路掃描開關(guān)、傳感器等組成。主要功能是將溫度、壓力、流量、速度等物理量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測試。速度較快。

3.控制系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、控制器、標(biāo)準(zhǔn)接口、傳感器輸入和控制輸出電路組成。主要功能是進(jìn)行過程控制。

4.存儲(chǔ)系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、傳感器陣列、系統(tǒng)能源、位置指示器存儲(chǔ)測試電路系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)器等構(gòu)成。它的主要功能是在高溫、高壓、強(qiáng)沖擊震動(dòng)、高過載等惡劣環(huán)境和緊湊設(shè)計(jì)條件下，自動(dòng)完成被測信息的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)記憶。

硬件電路設(shè)計(jì)方案

硬件電路設(shè)計(jì)

本課題完成對(duì)16路模擬信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)具有掉電保護(hù)功能，可通過并行口將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，通過對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理復(fù)現(xiàn)輸入模擬信號(hào)的波形，并且每個(gè)通道均可采用25K/12.5K兩種頻率來進(jìn)行采樣。其原理圖如圖1。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，從其功能上主要分為以下四個(gè)部分。

1.電平轉(zhuǎn)換部分：對(duì)前端電路進(jìn)行阻抗匹配和信號(hào)電平的變換。

2.AD轉(zhuǎn)換部分：對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3.數(shù)據(jù)緩沖部分：對(duì)轉(zhuǎn)換后還沒有傳入內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)。

圖1　系統(tǒng)原理圖

控制邏輯部分：控制與協(xié)調(diào)各模塊之間的工作

主要組成部分設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路的主要功能有以下三點(diǎn)。

（1）濾波

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所工作的現(xiàn)場，往往有很多干擾信號(hào)，有時(shí)幅度很大，甚至比有用信號(hào)還大，這些干擾信號(hào)影響到測量精度和測量的可靠性，必須將它濾除，濾波器的作用就是濾除這些干擾，確保測量的精度。

（2）激勵(lì)信號(hào)及輔助裝置

傳感器的作用是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程中，有些傳感器需要激勵(lì)電源，如RTD、應(yīng)變片等。激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性將直接影響到測量結(jié)果。

（3）消除靜態(tài)信號(hào)的影響

在一些測量中，有時(shí)除有用信號(hào)外，還有一些恒定的電壓信號(hào)，兩者疊加在一起，雖然可以通過軟件在所采集的數(shù)據(jù)中，將它們分離出來，但由于加到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)是兩者疊加的，有用信號(hào)僅是其中一部分，從而降低了A/D實(shí)際的分辨率，影響到測量精度，應(yīng)予消除。

AD9221轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)采用的是美國ANALOG DEVICE公司的12位高速單片A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9221。AD9221具有片內(nèi)采樣保持電路以及低溫度漂移系數(shù)的基準(zhǔn)電源，僅以單一的+5V電源工作。它的無雜散動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB，比較適合本系統(tǒng)要求；同時(shí)高速A/D電路的模擬信號(hào)輸入采用單電源的緩沖運(yùn)算放大器，避免了毀滅性的ADC過激勵(lì)。轉(zhuǎn)換速率為1.5MSPS。其原理如圖2所示。

各部分原理圖說明

以下是用Protel99SE畫出的16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分原理圖。

計(jì)數(shù)電路

圖2　AD9221原理圖

晶振EX03產(chǎn)生的晶振頻率隨著A0、A1、A2接的電平不同，產(chǎn)生不同的頻率，當(dāng)A0、A1、A2同時(shí)接地時(shí)，晶振EX03產(chǎn)生的頻率為16MHz。74HC160計(jì)數(shù)器是同步十進(jìn)制分頻器，兼有異步置零和預(yù)置數(shù)功能。晶振EX03，分頻器74HC160，計(jì)數(shù)器CD4040如下圖連接在一起構(gòu)成了把頻率為16MHz的晶振，通過十分頻器74HC160把原本16MHz的頻率變成1.6MHz，然后再在計(jì)數(shù)器CD4040的輸出端表現(xiàn)出相應(yīng)的頻率。QA、QB、QC、QD、QE、QF對(duì)應(yīng)的頻率分別為800KHz、400KHz、200KHz、100KHz、50KHz、25KHz。本設(shè)計(jì)選擇是400KHz和200KHz的頻率，當(dāng)接入400KHz時(shí)，就使得每個(gè)通道按25KHz的頻率進(jìn)行采樣；而當(dāng)接入200KHz的頻率時(shí)，每個(gè)通道就是按照12.5KHz的頻率進(jìn)行采樣。計(jì)數(shù)電路原理圖如圖4。

圖3　計(jì)數(shù)電路

圖4　寫信號(hào)控制電路

圖5　讀信號(hào)控制電路

寫/讀信號(hào)控制電路

當(dāng)寫信號(hào)為低電平，讀信號(hào)為高電平時(shí)，寫信號(hào)有效，采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩沖器存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中；當(dāng)讀信號(hào)為低電平，寫信號(hào)為高電平時(shí)，讀信號(hào)有效，原存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器628512中輸出，經(jīng)過緩沖器74HC245傳輸?shù)讲⒖?，再?jīng)并口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。其寫/讀控制圖如圖4與圖5所示。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.012