基于單片機(jī)的高分辨率多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張健 劉斯 劉洋

摘要??? 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出模擬信號(hào)的數(shù)字化處理，本文詳細(xì)介紹了一款基于STC89C54單片機(jī)和AD7734芯片的三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠同步對(duì)三路模擬電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行24位采集，測(cè)量范圍為±10V（電壓分辨率1.192μV），采樣頻率50Hz。本系統(tǒng)具有SD卡實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和串口通信功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)測(cè)量平均相對(duì)誤差為0.007%，非線性度為0.002%FS，均方根噪聲為44.754μV。

【關(guān)鍵詞】多通道 高分辨率 單數(shù)據(jù)采集 AD7734

傳感器是能夠感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件。對(duì)于大多數(shù)具有特定功能的傳感器，其輸出信號(hào)多為連續(xù)的模擬電壓信號(hào)，而對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析時(shí)則需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此需要一個(gè)低噪聲、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)提供技術(shù)支持。AD7734系列芯片是一種基于通信編碼理論與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的新型Σ-Δ型AD芯片。本文基于單片機(jī)STC89C54和AD7734設(shè)計(jì)了一款高分辨率的三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三路模擬信號(hào)進(jìn)行高精度的同步轉(zhuǎn)換操作，具有效率高、功耗低、功能強(qiáng)大和成本低廉的特點(diǎn)，并具有電池接口，可擴(kuò)展配備電池用于長(zhǎng)期野外工作。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

本系統(tǒng)由電源模塊、AD采集模塊、單片機(jī)控制模塊（包括顯示及存儲(chǔ)）和串口通信模塊組成，擁有三通道同時(shí)輸入采樣能力。前端功能傳感器輸出三路模擬直流信號(hào)，經(jīng)三路AD采集電路轉(zhuǎn)換為三路數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及顯示，同時(shí)將采集到的結(jié)果由RS232串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由四部分組成：電源電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制顯示及存儲(chǔ)模塊電路和串口通信電路。

2.1 電源設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源電路由數(shù)字電源和模擬電源組成，二者分別為數(shù)字電路和模擬電路供電。此處采用兩片低壓差線性調(diào)節(jié)器LM2931，其最小輸出電壓值為4.75V，典型值5V，反向電壓瞬變保護(hù)可達(dá)-50V，工作溫度在-40至125°C。模擬和數(shù)字部分均采用+5V分別供電。數(shù)字地與模擬地之間用零值電阻隔離，防止數(shù)模信號(hào)相互干擾，同時(shí)利用LED燈與限流電阻構(gòu)成提示電路，用來(lái)判斷系統(tǒng)是否上電。

2.2 AD采集電路設(shè)計(jì)

AD采集電路由單片機(jī)STC89C54控制AD7734來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD7734芯片是一款高精度、高吞吐量的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，工作溫度為-40°C-105°C，擁有±0.0024%的非線性度，該芯片采用Σ-Δ架構(gòu)，適合高分辨率多路復(fù)用應(yīng)用。AD7734芯片內(nèi)部具有15個(gè)寄存器供用戶設(shè)置芯片的特性參數(shù)，寄存器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最高可達(dá)24位，當(dāng)輸入電壓范圍配置為±10V時(shí)，數(shù)據(jù)21位有效。設(shè)置AD7734芯片采樣率小于200Hz時(shí)，采樣結(jié)果的均方根噪聲小于9.6μV。

本系統(tǒng)的AD時(shí)鐘采用6M無(wú)源晶振外部時(shí)鐘源。AD7734芯片由單片機(jī)STC89C54的I/O進(jìn)行配置和控制數(shù)據(jù)交換。AD780芯片提供+2.5V的AD基準(zhǔn)電壓。

2.3 單片機(jī)控制電路

本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C54作為中央處理器，其采用中斷和串行方式與AD芯片及顯示電路通信。同時(shí)采用模擬SPI通信協(xié)議與存儲(chǔ)模塊（SD卡）實(shí)現(xiàn)通信。

2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)根據(jù)

AD7734芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其引腳SCLK為單片機(jī)向AD7734提供的時(shí)鐘信號(hào);CS為單片機(jī)向AD7734提供的使能信號(hào);RESET用于給AD7734進(jìn)行復(fù)位的信號(hào);DIN與DOUT分別為單片機(jī)數(shù)據(jù)輸出端與輸入端，對(duì)應(yīng)AD7734的數(shù)據(jù)輸入端與輸出端;RDY為AD7734轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)AD7734完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以后，RDY信號(hào)變成低電平，此時(shí)單片機(jī)通過(guò)DOUT可以對(duì)AD7734進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作。

2.3.2 顯示、存儲(chǔ)及通信模塊本系統(tǒng)選取

LCD1602作為液晶顯示，通過(guò)STC89C54控制I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出顯示，并可將數(shù)據(jù)通過(guò)模擬SPI發(fā)送至SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)，且可以通過(guò)RS232通信模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對(duì)單片機(jī)外圍負(fù)載的初始化、AD7734的初始化及串口初始化。本系統(tǒng)采用單片機(jī)外部無(wú)源晶振，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592MHz，然后設(shè)置AD7734的三個(gè)通道AIN0、AIN1、AIN2進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，配置電壓輸入范圍為±10V，單片機(jī)為AD7734芯片的SYNC引腳提供一個(gè)同步信號(hào)，每個(gè)通道設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，各通道起止工作時(shí)間的差值不大于0.7ms，所有通道轉(zhuǎn)換完成后RDY拉低。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換操作啟動(dòng)以后，系統(tǒng)讀取FLASH參數(shù)，根據(jù)保存的參數(shù)進(jìn)行AD采集，若啟動(dòng)采樣之前沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則根據(jù)默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行AD采集。信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣速率為50Hz，系統(tǒng)對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片AD7734傳輸結(jié)果進(jìn)行累加、平均等數(shù)據(jù)處理，最后發(fā)送給上位機(jī)。

4 原理樣機(jī)測(cè)試

4.1 量程、線性度及測(cè)量誤差

本次實(shí)驗(yàn)采用DCP8325L帶電子負(fù)載的精密程控電源提供電壓輸入信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)值由Tektronix泰克DMM4040六位半臺(tái)式高精度萬(wàn)用表測(cè)量得到，測(cè)量值由上位機(jī)自動(dòng)計(jì)算得到（忽略不穩(wěn)定輸出位），所得樣機(jī)輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓值做最小二乘線性擬合，與擬合直線相比，最大偏離值與最大量程之間的比例定義為輸出的非線性度。本樣機(jī)測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的平均相對(duì)誤差絕對(duì)值約為0.007%，非線性度約為0.002%FS。

4.2 分辨率及噪聲測(cè)量

根據(jù)24bit芯片AD7734的數(shù)據(jù)手冊(cè)及實(shí)際測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)結(jié)果，本樣機(jī)最小分辨率可達(dá)到1.192μV。采用公式法對(duì)采集的電壓值進(jìn)行功率譜估計(jì)。將隨機(jī)序列x（n）的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)視為一能量有限的序列，取最接近數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的2的整數(shù)次方作為FFT變換長(zhǎng)度，直接計(jì)算x（n）的離散傅立葉變換，取幅值以后計(jì)算x（n）真實(shí)功率譜的估計(jì)。本次噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)采集頻率為50Hz，采集時(shí)間為10分鐘，通過(guò)串口轉(zhuǎn)換器PL2303將數(shù)據(jù)上傳至PC端。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值及測(cè)量結(jié)果求出數(shù)據(jù)真值矩陣，再由測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)矩陣減去真值矩陣得到誤差，最終計(jì)算所得到系統(tǒng)的均方根噪聲為44.754μV。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從軟硬件兩方面設(shè)計(jì)思路出發(fā)，介紹了一款基于STC89C54單片機(jī)與高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7734的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)電壓測(cè)量范圍為±10V，測(cè)量結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的誤差均值為0.007%，非線性度為0.002%FS，采樣率為50Hz，測(cè)量分辨力為1.192μV，均方根噪聲為44.754μV。系統(tǒng)能夠用于需要較高精準(zhǔn)度且要求多路復(fù)用的標(biāo)量檢測(cè)裝置或矢量測(cè)量設(shè)備，如高精度電子溫濕度計(jì)、高速飛行顯示器或三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)等。

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