分布式遠(yuǎn)程模擬量信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔永俊，張 祥，劉 坤，李康康，楊衛(wèi)鵬，喬帥雅

(1.中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.山西一建集團(tuán)有限公司，山西太原 030000)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和航天航空領(lǐng)域，大型自動(dòng)化設(shè)備普遍被使用，作業(yè)環(huán)境的惡劣，往往會(huì)危及到設(shè)備的運(yùn)行和工作人員的人身安全，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一些外界的物理量參數(shù)如電壓、壓力、溫度、光強(qiáng)等是必不可少的。在某些測(cè)試環(huán)境中面臨大面積采集、長(zhǎng)距離傳輸及精度要求高的問(wèn)題，傳統(tǒng)的采集測(cè)試方案著重單一區(qū)域，其傳輸距離短，精度偏低，不足以適應(yīng)大型遠(yuǎn)程高精度測(cè)試的需求，為解決這類問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提出了以RS485總線為主線，總分結(jié)構(gòu)的方案，分布式的設(shè)計(jì)拓展了采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)，適合大范圍使用，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集通道數(shù)目的增多，也使單一區(qū)域數(shù)據(jù)采集面更詳細(xì)均勻，高精度前端模數(shù)轉(zhuǎn)換采集芯片ADS1258提高了采樣精度，其自循環(huán)通道掃描功能省去了傳統(tǒng)多通道的開關(guān)選通電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)[1]。另外，系統(tǒng)通過(guò)阻抗匹配提升了總線數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸。

1 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)輸入量程范圍為0～5 V，頻率范圍在1 kHz以內(nèi)的交流信號(hào)及直流信號(hào)，采集精度要求大于16位；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通道數(shù)大于12路。所以選用了AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1258，其輸入量程范圍為0～5 V；精度24位；支持單節(jié)點(diǎn)16路通道；每通道采樣頻率23.7 kS/s滿足設(shè)計(jì)要求且冗余[2]?？偩€要求節(jié)點(diǎn)數(shù)為12個(gè)；傳輸速率20 Mbps，傳輸距離500 m。所以選用基于RS485總線搭建有線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，最遠(yuǎn)傳輸距離1 200 m，隔離式收發(fā)器ISO1176T芯片作為RS485總線芯片，傳輸速率可高達(dá)20 Mbps以上，能支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程：

(1)上位機(jī)通過(guò)W5300網(wǎng)口發(fā)送命令給背板，背板對(duì)命令進(jìn)行解析與重組后發(fā)送給總節(jié)點(diǎn)；

(2)總節(jié)點(diǎn)接收到命令之后，將命令送至RS485總線上；

(3)12個(gè)分節(jié)點(diǎn)分別接收RS485總線上的命令并對(duì)其解析匹配；

(4)命令匹配成功的分節(jié)點(diǎn)配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器，并開始采集與轉(zhuǎn)換；

(5)采集轉(zhuǎn)換完一次，分節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)換結(jié)果打包成數(shù)據(jù)包發(fā)送至RS485總線上；

(6)總節(jié)點(diǎn)讀取總線上的數(shù)據(jù)，再經(jīng)SPI總線發(fā)至背板；

(7)背板將數(shù)據(jù)重新組合，通過(guò)W5300網(wǎng)口上傳給上位機(jī)保存和顯示。在發(fā)送過(guò)程中，上位機(jī)每次只發(fā)命令給一個(gè)分節(jié)點(diǎn)，在接收過(guò)程中，總節(jié)點(diǎn)一次只接收一個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)保持靜默，有效避免了RS485總線上的數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用高精度芯片ADS1258。該芯片具有較高的轉(zhuǎn)換精度，快速的采樣轉(zhuǎn)換頻率，而且轉(zhuǎn)換通道多，采樣頻率可靈活配置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電路連接如圖2所示。

將ADS1258模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的CLKSEL時(shí)鐘選擇引腳接3.3 V拉高，引腳XTAL1與XTAL2間不接外部晶振，而是從引腳CLKIO輸入FPGA控制芯片產(chǎn)生的16 MHz時(shí)鐘信號(hào)。ADS1258的SPI引腳AD_SCLK、AD_DIN、AD_DOUT、AD_CS引腳，經(jīng)22 Ω排阻后與FPGA控制芯片連接，用以配置其內(nèi)部寄存器，引腳AD_START、AD_RESET、AD_/DRDY、AD_PWDN經(jīng)22 Ω排阻與FPGA控制芯片連接，分別控制轉(zhuǎn)換開閉、復(fù)位、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成及低功耗設(shè)置。在MUXOUTP、MUXOUTN與ADCINP、ADCINN間分別接運(yùn)放365用以控制其內(nèi)部轉(zhuǎn)換器的延時(shí)時(shí)間，目的是保證中途切換到一個(gè)新通道而新的轉(zhuǎn)換還沒(méi)開始的間隔時(shí)間[4]。

另外，ADS1258芯片有3處供電：

(1)數(shù)字部分是與FPGA連接，DVDD接3.3 V，DGND接數(shù)字地；

(2)模擬部分AVDD采用0～5 V供電，供電電壓與采集的模擬信號(hào)電壓范圍相關(guān)，AVSS接模擬地；

(3)參考電壓：VREF=VREFP-VREFN，因?yàn)閰⒖茧妷旱姆€(wěn)定性關(guān)系到芯片采集精度，設(shè)計(jì)以高精度基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片AD586產(chǎn)生5 V電壓作為參考電壓輸入，精度達(dá) 2 mV，且具有較低的噪聲漂移性[5]。

2.2 RS485總線抗干擾與失效保護(hù)設(shè)計(jì)

2.2.1 抗干擾設(shè)計(jì)

在長(zhǎng)距離通信傳輸時(shí)，必須要采取避免信號(hào)反射的措施，否則信號(hào)抗干擾能力與可靠性會(huì)大大降低甚至無(wú)法通信。反射原因主要有2種：一種是阻抗不連續(xù)。電纜的阻抗突然變小甚至為0時(shí)，信號(hào)會(huì)反射，其反射原理跟光線從一種媒介到另一種媒介會(huì)引起反射是類似的；另一種是阻抗不匹配。主要分為源端阻抗不匹配和負(fù)載端阻抗不匹配。由負(fù)載端反射系數(shù)公式：ρL=(ZL-ZO)/(ZL+ZO)，當(dāng)負(fù)載端阻抗ZL大于傳輸線阻抗ZO,ρL>0,負(fù)載端不能全部吸收源端能量，多余能量將反射回源端，處于欠阻尼狀態(tài)，此時(shí)易發(fā)生過(guò)沖甚至振鈴，這樣的電壓波動(dòng)可能跨越邏輯電平的閾值電壓，致使接收端誤判；負(fù)載端阻抗ZL小于傳輸線阻抗ZO，ρL<0,負(fù)載會(huì)消耗比源端傳輸?shù)哪芰扛啵释ㄟ^(guò)反射向源端尋求更多能量，處于過(guò)阻尼狀態(tài)，會(huì)引起環(huán)繞振蕩，造成時(shí)序沖突，使得傳輸鏈的數(shù)據(jù)發(fā)生紊亂。源端的阻抗分析同上。

為盡量減小信號(hào)反射，本設(shè)計(jì)提出了合理的解決方法，因本設(shè)計(jì)各個(gè)分節(jié)點(diǎn)的輸入阻抗都很大，故采取并聯(lián)電阻法，即在總節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)的AB線間并聯(lián)阻抗匹配電阻，經(jīng)試驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)載阻抗與匹配電阻的阻抗之和等于傳輸線阻抗時(shí)，信號(hào)反射最小[6]。因RS485總線的通信介質(zhì)是雙絞線，其特性阻抗大約是120 Ω，而且由于通信傳輸?shù)碾p向特性，總節(jié)點(diǎn)端和各分節(jié)點(diǎn)輸入端分別并聯(lián)一個(gè)120 Ω的匹配電阻，連接示意圖如下圖3所示。

2.2.2 失效保護(hù)設(shè)計(jì)

RS485總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置接收器門限為 200 mV，這個(gè)值能提供比較良好的噪聲抑制能力，當(dāng)A比B高200 mV輸出正邏輯，當(dāng)B比A高為負(fù)邏輯[7]。但若總線空閑即沒(méi)有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線時(shí)，A與B之間壓差介于-200～200 mV，這種狀況會(huì)導(dǎo)致接收器輸出狀態(tài)不確定，分節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為是一個(gè)新的啟動(dòng)位，并開始讀取后續(xù)的字節(jié)，因?yàn)橄蚝蟛粫?huì)有停止位，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀的錯(cuò)誤結(jié)果，設(shè)備不再請(qǐng)求總線，通信網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。除了AB兩線壓差低于200 mV情況外，開路或短路也會(huì)導(dǎo)致這種故障[8]。

為避免這種不確定狀態(tài)，解決方法是將總線偏置在一個(gè)確定狀態(tài)，即AB兩線的壓差大于-200 mV，將A接偏置電阻到地，B接偏置電阻到5 V，阻值選1 kΩ。具體見(jiàn)圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)下發(fā)命令后，12個(gè)分節(jié)點(diǎn)分別接收總節(jié)點(diǎn)送至RS485總線的命令包，然后各自對(duì)命令包進(jìn)行解析，解析分節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)?shù)刂菲ヅ洳怀晒?，則丟棄該命令，準(zhǔn)備下一條命令的接收；當(dāng)?shù)刂菲ヅ涑晒?，校?yàn)有效數(shù)據(jù)位和CRC碼(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)，校驗(yàn)不成功，只上傳一組固定數(shù)“AAH”，發(fā)送204800次，之后繼續(xù)等待命令狀態(tài)；校驗(yàn)成功，則復(fù)位轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的SPI接口，將SPI接口中的/CS引腳拉高或SCLK引腳保持不變約4096個(gè)總時(shí)鐘。配置寄存器時(shí)，先發(fā)命令字，再配置寄存器，由上位機(jī)下發(fā)寄存器配置參數(shù)。配置過(guò)程由SPI接口串行輸入實(shí)現(xiàn)，先發(fā)最高位，在/CS為低電平和SCLK為上升沿條件下，SPI的DIN引腳會(huì)將命令字與寄存器配置參數(shù)逐個(gè)送至ADS1258中，輸入過(guò)程中，DOUT引腳上會(huì)輸出無(wú)效的數(shù)據(jù)，不作處理。因本設(shè)計(jì)使用單端輸入和自動(dòng)掃描模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以僅需對(duì)ADS1258的CONFIG1、MUXSG0和MUXSG1這3個(gè)內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，其它寄存器保持默認(rèn)值。其中CONFIG1寄存器用以配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率，最高采樣頻率23.739 kHz。配置MUXSG0、MUXSG1這兩個(gè)寄存器時(shí)，控制字均是8位，每一位代表一個(gè)通道，16通道共16位控制字。高電平表示選中，芯片工作時(shí)就會(huì)采集轉(zhuǎn)換該通道，低電平則跳過(guò)。

寄存器配置好后，將START引腳拉高，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，接著判斷/DRDY信號(hào)是否變?yōu)榈碗娖剑羰莿t表示某通道數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完成，等待被讀取。此時(shí)將SPI總線的/CS引腳拉低，DIN數(shù)據(jù)線上的輸入輸出的前3位不變，即000或者111時(shí)，以直接讀取通道數(shù)據(jù)的方式取走轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。一次轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)有效位為32位，其中第一個(gè)是8位狀態(tài)位，后是24位數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的最高位代表采集量是否為正值，本設(shè)計(jì)采集的是0～5 V電壓量，故最高位始終為1。轉(zhuǎn)換次數(shù)達(dá)204 800次后，一次命令執(zhí)行完畢，停止轉(zhuǎn)換工作。芯片的16通道循環(huán)掃描周期小于700us，單通道以23.7 Ks/s的采樣率工作700 μs16×23.7 Ks/s≈1次。分節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一次命令工作時(shí)間為204 80016×700 μs=8.96 s左右。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的通信協(xié)議分為2部分：系統(tǒng)通信協(xié)議；RS485總線通信協(xié)議。其中系統(tǒng)通信協(xié)議是下位機(jī)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信約定，總線通信協(xié)議是指總分節(jié)點(diǎn)之間在總線上通信進(jìn)行的約定。

3.2.1 系統(tǒng)通信協(xié)議

系統(tǒng)通信過(guò)程包含發(fā)送與接收2個(gè)動(dòng)作。發(fā)送：開啟分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集工作；接收：命令背板，給上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)。

背板接收到下發(fā)的命令后，將命令進(jìn)行解析與重新組合，若命令有效標(biāo)志為“25”，背板繼續(xù)識(shí)別命令要求是否為“A”，若是則下發(fā)命令到總節(jié)點(diǎn)直至總線上供各分節(jié)點(diǎn)讀取。ADD的低5位為分節(jié)點(diǎn)的地址位，最多可設(shè)置地址為32個(gè)，但本設(shè)計(jì)只用到12個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，采樣頻率RATE和采樣通道AIN_0、AIN_1這3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)下發(fā)至指定分節(jié)點(diǎn)后，用以配置ADS1258模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的CONFIG1寄存器、MUXSG0寄存器和MUXSG1寄存器。若命令有效標(biāo)志為“25”且命令要求是“5”，此時(shí)背板轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，等待接收分節(jié)點(diǎn)發(fā)給總節(jié)點(diǎn)再到背板的數(shù)據(jù)包，重組后上傳給上位機(jī)。系統(tǒng)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如表1所示。

3.2.2 RS485總線通信協(xié)議

總節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)之間用RS485總線通信，傳輸速率20Mb/s。因?yàn)橄掳l(fā)的命令包與上傳的數(shù)據(jù)包大小不同，所以其協(xié)議也不一樣?？偣?jié)點(diǎn)給分節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令共傳輸40位，命令格式中有32位有效數(shù)據(jù)位，1位起始位，4位CRC檢驗(yàn)碼及3位停止位。分節(jié)點(diǎn)回傳的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)要求204 800組，每組數(shù)據(jù)有52位，含1位起始位、32位有效數(shù)據(jù)(8位狀態(tài)位，24位數(shù)據(jù)位)、16位幀計(jì)數(shù)及3位停止位，總節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)系統(tǒng)協(xié)議上傳到上位機(jī)，傳送204 800次后，將總線置于發(fā)送狀態(tài)，準(zhǔn)備發(fā)送下一條命令。在此協(xié)議的規(guī)定下,一個(gè)節(jié)點(diǎn)的16個(gè)通道以23.7 Ks/s采樣速率循環(huán)采樣需總線速率為1 s700 μs×16×52 b=1.13 Mb/s，所以20 Mb/s傳輸率完全符合要求。具體總線通信協(xié)議如表2所示。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 轉(zhuǎn)換精度分析

從眾多通道中選取分節(jié)點(diǎn)8的2通道、5通道和9通道進(jìn)行ADS1258轉(zhuǎn)換精度分析，3個(gè)通道分別對(duì)3路直流模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

利用式(1)得出輸出模擬電壓值

Vo=D2n·Vref

式中：D為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；n為精度位數(shù)；Vref為參考電壓。

由芯片24位精度可知，分母應(yīng)取=8M，根據(jù)轉(zhuǎn)換芯片手冊(cè)建議取值為7 864 320，是因?yàn)樾?zhǔn)后最小識(shí)別電壓為1LSB=Vref/780000H=Vref/7864320。分子取值因環(huán)境干擾等因素會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生一定影響，故忽略轉(zhuǎn)換數(shù)字量的低8位。每路從采集結(jié)果選10個(gè)數(shù)據(jù)取平均數(shù)代入計(jì)算，分子D取平均數(shù)的高16位，因最高位是符號(hào)位,取后15位計(jì)算。參考電壓為5 V。以通道2為例，去除最高位符號(hào)位與后8位得2B0DH，轉(zhuǎn)成十進(jìn)制為2821560,則轉(zhuǎn)化成模擬輸出電壓為Vo= 2 821 5607 864 320 ×5≈1.793 9。各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果如表3所示。

由計(jì)算式：精度=(輸出值-輸入值)/輸入值。

2通道采樣精度：(1.793 9-1.792 5)/1.792 5=0.078%；

5通道采樣精度：(3.297 3-3.294 5)/3.294 5=0.085%；

9通道采樣精度：(2.499 4-2.497 3)/2.497 3=0.088%；

結(jié)果表明，各通道精度均達(dá)到了0.1%的設(shè)計(jì)精度需求。

4.2 阻抗匹配驗(yàn)證

在500 m傳輸距離條件下，輸入4 V高速信號(hào)來(lái)驗(yàn)證分節(jié)點(diǎn)匹配電阻的效果。從圖5中看出同一輸入信號(hào)，不同匹配阻值有著不同的輸出情況。負(fù)載并聯(lián)60 Ω匹配電阻時(shí)，曲線有明顯的滯后現(xiàn)象，這是因信號(hào)到末端遇阻抗突然變小，末端要消耗更多能量引發(fā)回波反射所導(dǎo)致；負(fù)載并聯(lián)180 Ω匹配電阻，曲線有下沖現(xiàn)象，這是因輸出信號(hào)遇阻抗突然變大，能量不能完全被吸收反射回去所導(dǎo)致；匹配120 Ω電阻情況下，經(jīng)485總線傳輸后的輸出與輸入變化基本一致。從而驗(yàn)證了只有匹配電阻與負(fù)載的阻抗之和等于傳輸線阻抗時(shí)，即匹配120 Ω并聯(lián)幾MΩ負(fù)載的輸入端阻抗后合并阻抗約120 Ω，恰好接近傳輸線120 Ω的阻抗，此時(shí)反射現(xiàn)象最小，信號(hào)傳輸效果最好[9]。

4.3 上位機(jī)讀取與顯示

用2.5 V中心電壓、振幅為1 V的正弦波測(cè)試本設(shè)計(jì)的整體性能，此處選分節(jié)點(diǎn)6的通道1與通道9進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，在圖6所示的上位機(jī)界面上，選中節(jié)點(diǎn)6與對(duì)應(yīng)通道1、9之后，按下開始采集按鈕，上位機(jī)讀取采集的數(shù)據(jù)并顯示出波形，從結(jié)果可以看出采集到的正弦信號(hào)波形經(jīng)恢復(fù)后很光滑，沒(méi)有雜波成分與畸變形態(tài)出現(xiàn)，說(shuō)明系統(tǒng)在長(zhǎng)距離傳輸后很平穩(wěn)，有效避免了可能的外界干擾與內(nèi)部阻抗因素引起的信號(hào)反射，滿足分布式遠(yuǎn)程多點(diǎn)采集平穩(wěn)傳輸?shù)囊骩10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用分布式總分結(jié)構(gòu)思想，以FPGA，RS485總線，ADS1258為主要芯片設(shè)計(jì)出下位機(jī)，以上位機(jī)完成實(shí)時(shí)控制、存儲(chǔ)、顯示功能，可以采集大區(qū)域里的多個(gè)頻率范圍在1 kHz以內(nèi)的交流或直流模擬信號(hào)，遠(yuǎn)距離傳輸具備很強(qiáng)的抗干擾性。設(shè)計(jì)工作彌補(bǔ)了目前數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的不足，在高速發(fā)展的工業(yè)領(lǐng)域有實(shí)用。