多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張家田 董華強(qiáng) 嚴(yán)正國(guó)

摘 要： 針對(duì)微震動(dòng)檢波系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種Δ?Σ技術(shù)的24位高分辨率的四通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ADS1274為核心，采用高性能MCU?STM32F103作為系統(tǒng)的控制單元，具有高分辨率、高速、低功耗和低速等四種工作方式。采用RS 232通信接口接收上位機(jī)命令和傳送數(shù)據(jù)，上位機(jī)中VB 6.0開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，比如對(duì)數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行顯示、濾波等處理。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； ADS1274； Δ?Σ技術(shù)； 數(shù)據(jù)處理

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0168?03

0 引 言

在現(xiàn)今的眾多領(lǐng)域中，人們對(duì)眾多微弱信號(hào)的測(cè)量精度要求越來(lái)越高，有一些特殊領(lǐng)域?qū)忍岢鲚^高要求的同時(shí)對(duì)多個(gè)通道信號(hào)采集的同步性也提出了較高的要求，比如石油地震勘探、測(cè)井以及微震動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度。

近幾年來(lái)隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于Δ?[Σ]結(jié)構(gòu)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）應(yīng)運(yùn)而生。其采用的過(guò)采樣技術(shù)，不僅提高了精度，同時(shí)也在很大程度上提高了A/D基帶內(nèi)的信噪比（SNR）。本文以ADS1274和STM32為核心設(shè)計(jì)了一種具有24位高精度的多通道微弱信號(hào)同步采集系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的循環(huán)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有節(jié)省硬件資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本較低[1]等特點(diǎn)。

1 24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1274

ADS1274是TI公司推出的一種基于ADS1271的24位四通道Δ?Σ A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速、高分辨、低功耗、低速四種工作模式。高速模式下轉(zhuǎn)換速率可達(dá)144 kS/s，高分辨率模式下輸出信噪比達(dá)108 dB，低功耗模式下耗散功率[2]僅35 mW。ADS1274數(shù)據(jù)輸出采用串行接口方式，具有SPI和Frame Sync兩種串行接口方式。工作模式和串行接口方式由模式控制引腳MODE和串行接口格式控制引腳Format進(jìn)行設(shè)置，可通過(guò)硬件跳線設(shè)置，也可由微處理器通過(guò)I/O口編程控制，接口非常簡(jiǎn)單。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

多通道微信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，微弱震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理以后送入ADS1274，實(shí)現(xiàn)高精度多通道同步微弱信號(hào)的采集。STM32通過(guò)SPI通信協(xié)議將數(shù)據(jù)取回，然后再利用串口將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近一步的處理。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 放大電路

由于ADS1274的設(shè)計(jì)采用差分輸入，本設(shè)計(jì)采用TI公司推出的雙路低失真電壓反饋放大器THS4012和具有關(guān)斷功能的全差動(dòng)輸入放大器THS4130組成，如圖2所示，放大電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能，滿足ADS1274的輸入要求，從而進(jìn)一步發(fā)揮全差分ADC具有的出色的共模抑制性能。

3.2 STM32與ADS1274接口電路

本文選取ADS1274作為轉(zhuǎn)換模塊，采用SPI協(xié)議TDM模式與MCU進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)由DOUT1口送出。ADS1274與STM32的接口電路如圖3所示。STM32的SPI引腳，分別與ADS1274的SCLK和DOUT1相連。操作PA口分別與ADS1274的CLK，DRDY，SYNC，PWDN[1：4]，F(xiàn)ORMAT[2：0]和MODE[1：0]引腳相連。分別向ADS1274提供時(shí)鐘，設(shè)置工作模式。這樣的連接方式，一方面可以根據(jù)提供不同頻率時(shí)鐘來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)換速率；另一方面也可以根據(jù)不同的需求來(lái)設(shè)置其不同的工作狀態(tài)，以便于降低功耗。

3.3 參考電壓電路

ADS1274以及THS4130的正常工作都需要提供一個(gè)2.5 V的參考電壓。本設(shè)計(jì)采用REF1004I?2.5和高速單電源軌至運(yùn)算放大器OPA350組成基準(zhǔn)電壓，產(chǎn)生電路如圖4所示，其電路抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性出色。

3.4 電源轉(zhuǎn)換電路

電源對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路來(lái)說(shuō)是十分重要的，電源供電電壓穩(wěn)定與否將直接影響到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。ADS1274的正常工作需要5 V，3.3 V和1.8 V的供電電壓。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，本設(shè)計(jì)采用TPS73633DBVT和TPS73618DBVT芯片提供3.3 V和1.8 V電壓。5 V電壓則由電源直接提供。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計(jì)主要是控制ADS1274工作狀態(tài)和將數(shù)據(jù)讀取回來(lái)發(fā)往PC。采用Keil4?MDK軟件環(huán)境下，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)。系統(tǒng)工作主程序流程圖如圖5所示，主要包括MCU的初始化，A/D模塊，SPI，串口和中斷的配置，上位機(jī)發(fā)送不同的命令控制A/D對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及串口對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

子程序流程圖如圖6所示，以DRDY信號(hào)作為外部中斷源，觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷后SPI主機(jī)發(fā)送12 B的數(shù)據(jù)，提供SCLK時(shí)鐘讀取DOUT1串行輸出的4個(gè)通道的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終完成數(shù)據(jù)采集。

上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理軟件采用VB 6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，兼容于Windows 7/XP操作系統(tǒng)，使用方便。其能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)與波形的顯示，中值平均濾波和相敏檢波等處理。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)以后，利用信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源和數(shù)字萬(wàn)用表，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。4個(gè)通道采集幅度和頻率相同的信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種高精度的多路同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可以滿足多路數(shù)據(jù)的同步采集。利用串行通信方式進(jìn)行傳輸，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本較低、可靠性穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)精度滿足微震動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可用于各種震動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；诒驹O(shè)計(jì)，也可以采用自組菊花鏈的方式，組成更多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足更多路微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和高精度精密測(cè)量系統(tǒng)，可以應(yīng)用于過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器、地震勘探、醫(yī)療器械和安全監(jiān)測(cè)等，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)

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