多通道數據采集系統硬件設計

張軍權 姚舜才

多通道數據采集系統硬件設計

張軍權 姚舜才

本設計介紹了數據采集系統的特點、功能、原理和發展趨勢，并分析了系統的基本組成部分，以及系統設計時應考慮的因素。

本設計通過查閱采集系統相關的資料，提出了多通道數據采集系統的硬件電路設計方案。該電路實現了數據的采集和存儲，并且存儲器還帶有掉電保護功能；在讀信號有效時，能把存儲器內的數據輸出，經過并口線傳輸到計算機上，通過數據處理復現其輸入模擬信號的波形。

數據采集與數據采集系統

在微型計算機應用于智能儀器儀表、信號處理和工業自動化等的過程中，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變為數字信號，在收集到微型機進一步予以顯示、處理、記錄和傳輸這個過程稱為“數據采集”。相應的系統即為數據采集系統。

數據采集系統的任務

數據采集的任務，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別的數字信號，然后送入計算機或相應的信號處理系統，根據不同需要進行相應的計算和處理，得出所需的數據。與此同時，將計算機得到的數據進行顯示或打印，以便實現對某些物理量的監視。數據采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質、醫藥器械、雷達、通訊、遙感遙測等各個領域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎。

數據采集系統基本組成部分

1.測量系統：由計算機、控制器、標準接口、儀器儀表、開關等組成。主要功能是對器件和系統的電壓、電流、頻率、電阻進行精密測試。精度較高。

2.測試系統：由計算機控制器、標準借口、測量設備和多路掃描開關、傳感器等組成。主要功能是將溫度、壓力、流量、速度等物理量轉換為電量進行測試。速度較快。

3.控制系統：由計算機、控制器、標準接口、傳感器輸入和控制輸出電路組成。主要功能是進行過程控制。

4.存儲系統：由計算機、傳感器陣列、系統能源、位置指示器存儲測試電路系統、環境保護器等構成。它的主要功能是在高溫、高壓、強沖擊震動、高過載等惡劣環境和緊湊設計條件下，自動完成被測信息的實時采集與存儲記憶。

硬件電路設計方案

硬件電路設計

本課題完成對16路模擬信號的采集和存儲，存儲數據具有掉電保護功能，可通過并行口將存儲數據上傳到計算機，通過對存儲數據的處理復現輸入模擬信號的波形，并且每個通道均可采用25K/12.5K兩種頻率來進行采樣。其原理圖如圖1。

數據采集系統硬件的邏輯結構

數據采集系統的硬件部分，從其功能上主要分為以下四個部分。

1.電平轉換部分：對前端電路進行阻抗匹配和信號電平的變換。

2.AD轉換部分：對信號進行模擬信號到數字信號的轉換。

3.數據緩沖部分：對轉換后還沒有傳入內存的數據進行緩沖存儲。

圖1　系統原理圖

控制邏輯部分：控制與協調各模塊之間的工作

主要組成部分設計

信號調理電路

信號調理電路的主要功能有以下三點。

（1）濾波

數據采集系統所工作的現場，往往有很多干擾信號，有時幅度很大，甚至比有用信號還大，這些干擾信號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）激勵信號及輔助裝置

傳感器的作用是將物理信號轉換為電壓信號，轉換過程中，有些傳感器需要激勵電源，如RTD、應變片等。激勵信號的穩定性將直接影響到測量結果。

（3）消除靜態信號的影響

在一些測量中，有時除有用信號外，還有一些恒定的電壓信號，兩者疊加在一起，雖然可以通過軟件在所采集的數據中，將它們分離出來，但由于加到A/D轉換器的信號是兩者疊加的，有用信號僅是其中一部分，從而降低了A/D實際的分辨率，影響到測量精度，應予消除。

AD9221轉換器

本系統采用的是美國ANALOG DEVICE公司的12位高速單片A/D轉換芯片AD9221。AD9221具有片內采樣保持電路以及低溫度漂移系數的基準電源，僅以單一的+5V電源工作。它的無雜散動態范圍可達80dB，比較適合本系統要求；同時高速A/D電路的模擬信號輸入采用單電源的緩沖運算放大器，避免了毀滅性的ADC過激勵。轉換速率為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通道數據采集系統設計的各部分原理圖。

計數電路

圖2　AD9221原理圖

晶振EX03產生的晶振頻率隨著A0、A1、A2接的電平不同，產生不同的頻率，當A0、A1、A2同時接地時，晶振EX03產生的頻率為16MHz。74HC160計數器是同步十進制分頻器，兼有異步置零和預置數功能。晶振EX03，分頻器74HC160，計數器CD4040如下圖連接在一起構成了把頻率為16MHz的晶振，通過十分頻器74HC160把原本16MHz的頻率變成1.6MHz，然后再在計數器CD4040的輸出端表現出相應的頻率。QA、QB、QC、QD、QE、QF對應的頻率分別為800KHz、400KHz、200KHz、100KHz、50KHz、25KHz。本設計選擇是400KHz和200KHz的頻率，當接入400KHz時，就使得每個通道按25KHz的頻率進行采樣；而當接入200KHz的頻率時，每個通道就是按照12.5KHz的頻率進行采樣。計數電路原理圖如圖4。

圖3　計數電路

圖4　寫信號控制電路

圖5　讀信號控制電路

寫/讀信號控制電路

當寫信號為低電平，讀信號為高電平時，寫信號有效，采集的數據通過數據緩沖器存儲到存儲器中；當讀信號為低電平，寫信號為高電平時，讀信號有效，原存儲的數據從存儲器628512中輸出，經過緩沖器74HC245傳輸到并口，再經并口傳輸到計算機。其寫/讀控制圖如圖4與圖5所示。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.012