開放型多通道高精度采集與實時處理模塊

摘要：基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP／CPLD／FPGA、DsP等先進Ic，本文融大動態(tài)范圍程控模擬前端調理(AFE)、高精度采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯(lián)和測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化，對開放型、模塊化多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經典實現(xiàn)方法進行了深入分析。

關鍵詞：開放型；多通道；高精度采集；實時處理

引言

數(shù)據(jù)采集與處理是現(xiàn)代儀器科學與技術的基礎，是利用微電子技術、信息技術等領域的最新研究成果以解決信息的獲取、傳輸、變換、存儲、處理與分析。其主要技術指標包括通道增益、帶寬、采樣速率、分辨率、精度、通道緩存、數(shù)據(jù)記錄容量、實時性及通訊控制接口等。縱觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來，可以預見：數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將朝著高速度、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)境適應性和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展。基于先進IC技術，本文致力于融大動態(tài)范圍程控模擬前端調理、高精度連續(xù)采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯(lián)和測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化對開放型、模塊化、數(shù)字化、多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經典實現(xiàn)方法作深入分析，并在實際應用中取得良好效果。

采集系統(tǒng)性能分析

“屬性完整，量值準確”是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)追求的終極目標。采集系統(tǒng)諸多技術指標中最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度、動態(tài)范圍與采樣速率。采樣速率取決于ADC(模一數(shù)轉換器)本身，可通過器件選型來解決。而系統(tǒng)分辨率通常用最低有效位值(LSB)或ADC轉換位數(shù)來衡量。動態(tài)范圍(DR)和精度(衡量指標：相對誤差)是決定系統(tǒng)設計成敗的關鍵。根據(jù)各自定義公式：

分析可知：影響采集系統(tǒng)性能的主要因素是ADC轉換位數(shù)和輸入ADC的電壓范圍。為擴大系統(tǒng)測試動態(tài)范圍和實現(xiàn)精密測量，除了選擇性能優(yōu)良的ADC芯片和充分抑制信號傳輸通道噪聲外，還需要將大動態(tài)范圍的輸入電壓信號經模擬前端進行程控精密調理，實現(xiàn)ADC最佳輸入范圍。同時加上通道自動調零和增益校準環(huán)節(jié)，動態(tài)補償模擬通道系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。

AFE經典設計及自校準方法

基于以上分析，為實現(xiàn)大動態(tài)范圍內輸入信號的高精度采集，采集通道模擬前端(AFE)應包括輸入阻抗匹配、放大、衰減、濾波、偏置、自校準和調零等功能單元。本文從開放性、模塊化與可程控角度出發(fā)，提出用MUX(復選開關)，PGA(程控增益放大器)，DCP(數(shù)字可控電位器)，LPF(抗混迭濾波器，包括集成式程控濾波器)，DAC(數(shù)一模轉換器)、ISP(系統(tǒng)內可編程器件)／FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)構建經典高性能AFE，如圖1所示。

經典AFE模塊可作為一個獨立的單元通過接受MPU／DSP的程控選擇，在抑制噪聲、將大動態(tài)范圍(±IOV)電壓信號調理到ADC的最佳輸入范圍的同時，可實現(xiàn)模擬通道的功能自檢、自動校準(自動調零和標定)等。

基于最小二乘估計的數(shù)據(jù)采集通道自動校準方法如下。V_refAD和V_refAD分別為ADC和DAC的參考源，V_x1，是MUX模擬輸出信號，V_x2是v_x1經過經典AFE調理之后的輸出信號，XAD是ADC輸出的數(shù)字信號，XDA為DAC數(shù)字輸入信號。根據(jù)電路中所采用IC的電氣特性，可作如下假設：

①模擬復選開關(MUX)為理想狀態(tài)，

即V_x1=V_in或V_x1=V_cal。

(1)

②信號調理電路的輸入輸出為線性關系，

即V_x2=A₀V_x1+B₀。

(2)

A₀為信號調理電路的增益(當A₀>1時，信號被放大；當A₀<1時，信號被衰減)，B₀為調理電路的零點漂移電壓。

③ADC輸入輸出滿足線性關系，

即X_AD=A₁V_x2+B₁。

(3)

A₁=2^n-1/V_refAD(n為A／D轉換器的位數(shù))，B₁為ADC轉換偏差(當B₁=O時，ADC處于理想狀態(tài))。

④V_refAD和V_refAD恒定。

⑤各器件的輸入信號滿足器件的要求。

在以上假設成立的情況下，由式(1)，式(2)，式(3)可得到X_AD與V_in之間的關系式(4)：

即為數(shù)據(jù)采集通道的標定模型，A和B稱為采集通道的標定系數(shù)。

模型參數(shù)A和B的辨識可通過輸入標準DC信號()對一采集通道進行N次測量，建立起輸入信號V_in和輸出信號XAD之間的方程組，根據(jù)最小二乘法求解A和B。從性價比和系統(tǒng)緊湊度出發(fā)，可采用DCP+AMP的方式來代替集成PGA與DCP，使系統(tǒng)增益調整(包括程控放大和衰減)、自動調零和自動校準功能單元更加緊湊地融為一體，系統(tǒng)體積和功耗大為降低，與單片可程控增益放大器(PGA)相比，分檔更細，價格更低。

總體設計

本著“經濟、實用、可靠、先進性”原則設計模塊化、開放型硬件平臺。基于高性能的AFE經典實現(xiàn)方法，引用先進IC技術，高精度采集與實時處理模塊主要包括基于信號程控選擇(MUX，ADG509)、程控放大(PGA，PGA202)、程控衰減(DCP，X9312)、直流電平偏置、抗混迭濾波、和自校正參考源(DAC，MAX547／DAC7614)的大動態(tài)范圍程控模擬前端(AFE)，基于ISP／FPGA的譯碼邏輯控制部分，基于FIFO一級緩存(在FPGA中實現(xiàn))、SDRAM二級緩存和FLASH的數(shù)據(jù)緩存部分，高速ADC與高性能DSP小系統(tǒng)，以及外部通信控制接口部分等功能模塊。可對大動態(tài)范圍(－10V-+IOV)、微弱電壓信號(10mv／div)進行智能化精密調理、高精度采集、同步緩存、實時處理以及高速數(shù)據(jù)傳送。模塊原理框圖如圖2所示。

在DSP與FPGA的控制下通道輸入信號可自動切換為內部的DAC，用DAC產生特定的直流與交流信號作為標定信號，不僅可以標定通道的增益與零偏，而且可實現(xiàn)采集通道的功能自檢。另外根據(jù)實際需要，可方便地更換ADC器件、擴充FLASH為CF卡／硬盤等大容量存儲器件以實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)。基于DSPFPGA／CPLD的開放型設計，本模塊既可自成體系，又非常容易拓展。外部通信接口可以RS232／RS485／IEEEl455／USB／LAN／CAN等方式建立起與PC或其它系統(tǒng)的無縫數(shù)字連接，輔以必要的物理電氣接口設計，即可與標準PCI／VXI／PXI／LXI系統(tǒng)完全兼容。

工程實例

基于ADS8364的六通道高精度連續(xù)采集與同步傳輸模塊研制

基于ADS8364的6通道高精度連續(xù)采集與同步傳輸卡實物圖片如3所示，主要包括MUX、PGA、DCP、直流電平偏置、抗混迭濾波、六通道并行ADC、高速緩存(FIFO)及其自檢通路、儀器總線接口等部分。通過MUX切換，可程控選擇傳感器信號、電壓信號或內部標定、調零信號，以達到實現(xiàn)專用旋轉機械振動測試和通用電壓測試的雙重目標，且可程控實現(xiàn)自動調零、自動標定和大動態(tài)范圍信號的高精度調理(直流測量精度0．05％FS)。采用TI公司的模數(shù)轉換器ADS8364，可實現(xiàn)16位數(shù)字分辨率、最大250KHz采樣頻率、采速程控可調250K／200K／100K／50K／20K／10K／5K／1KHz)的并行6通道連續(xù)采集。高速FIFO(IDT7205)實現(xiàn)16KB高速緩存，以滿足外部控制器模塊通過儀器總線接口實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集卡的大容量數(shù)據(jù)流連續(xù)無失真采集和同步傳輸控制。

基于AD7721的八通道高精度采集與實時處理模塊研制

如圖4所示，基于AD7721的八通道高精度采集與實時處理模塊主要包括前端模擬調理電路(AFE)、高精度串行ADC、FPGA、高速緩存(sDRAM)、觸發(fā)定時控制、DSP、外部通信控制總線接口和PC監(jiān)控調試接口等部分。主要適用于熱電偶、應變片、壓阻、熱電阻等傳感器初步調理的微弱電壓信號或通用電壓信號進行高精度程控調理、實時采集與處理。

由ADC、DSP和高速緩存SDRAM三者構成一個靈活緊湊的實時信號處理結構，保證DSP發(fā)揮高密度實時信號處理能力。FPGA主要實現(xiàn)AFE與AIX3控制以及8路高精度串行ADC(AD7721)輸出數(shù)據(jù)的串并轉換等。RS232接口為高精度采集和實時處理模塊提供與PC機進行命令和數(shù)據(jù)交互的通道。基于儀器總線接口，可方便地實現(xiàn)多個模塊的同步互聯(lián)和無縫數(shù)字連接。

結語

本文充分應用微電子技術的最新成果，采用先進IC單元；本著“經濟、實用、先進、軟硬件一體化和ISP”的設計思想，結合DSP強大的信號處理能力，提出了通用性好、可移植性強的開放型多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經典實現(xiàn)方法，并用大量工程實例進行了驗證。在x代步兵戰(zhàn)車發(fā)動機綜合參數(shù)動態(tài)測試系統(tǒng)、某型號高精度振動信號處理模塊、以及軍用ATE／ATS等中取得了良好的應用效果。在高端智能儀器儀表、網絡型分布式測控系統(tǒng)特別是融數(shù)據(jù)采集、特征提取、測試數(shù)據(jù)實時壓縮于一體的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中有著廣泛的適用性。隨著半導體技術與FPAA混合編程技術的發(fā)展，其模塊化設計思路(AFE!ADC／FIFO／DSP／FPGA)可望在一片模擬數(shù)字混合SOC(ASIC)中實現(xiàn)，為現(xiàn)代測控設備帶來新的變革。

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