高分辨率電壓與電流快速數據采集方法

袁嘉琦

摘要：高分辨率電壓與電流的快速數據采集方法使用專用主控芯片與硬件抗干擾設計，通過合理、科學的軟件設計，不僅提高了測量精度，而且采集速度和分辨率都提高了好幾個數量級。

關鍵詞：高分辨率電壓電流數據采集；精度；速度

在一個測量與控制系統中，各種非電量大都要通過傳感器轉換為電壓與電流信號，然后再進行數據采集，讀入到智能測量、分析或控制儀器儀表中進行處理。因此，電壓與電流信號的數據采集方法是各種智能化儀器儀表的構成基礎之一。

一、數據采集系統發展現狀

數據采集系統最早出現在世紀年代，出現了用于軍事領域的測試裝置自動完成測試任務的數據采集測試系統，其采集速度和靈活性都較好，因此獲得高度評價。在20世紀60年代后期，數據采集系統也只是應用在某些特定場合。隨著單片機和微處理器等集成電路的出現，及計算機開始普遍使用時，數據采集系統才開始了普遍發展。由科學技術發展狀況來看，數據采集系統發展庭勢由低速率、低分辨率向高速率、高分辨率發展。

ADC作為數據采集系統的核心之一，國內外許多公司都投入了大量資金用于ADC的發展。目前國外公司在高速數據采集研發及應用方面處于世界領先水平，它們的產品性能好，技術水平高，價格昂貴，在國內高速數據采集相關市場具有壟斷地位。而國內公司在高速數據采集領域還處于發展階段。國內研發的產品采樣率低，帶寬也相對較窄。目前，在國內高校中，電子科技大學走在高速數據采集領域的前列，其研制的高速數據采集系統最高采樣率可達到4GSPS。

總之，國外公司幾乎壟斷了高速數據采集巧關產品市場，并且掌握了高速數據采集領域的關鍵技術，而國內在該領域與國外差距還較大，在今后較長時間需要投入到高速數據采集的研究。

現今，STM內嵌式數據采集系統，綜合了硬件和軟件，在時序控制和邏輯運算等方面不斷提升，為高速數據采集系統提供核心支撐。內嵌式處理器不僅集成度高、開發周期短、具有強大的系統移植性，而且實現了時鐘速率性能、低功耗、高速I/O、容量和可靠性的完美平衡。

二、高分辨率電壓與電流快速數據采集硬件設計

2.1主控芯片的選擇

主控制芯片是整個系統的核心，控制著整個系統各個外設模塊的工作，選擇合適的微處理器對整個系統的性能起著決定性的作用。不同系統所要完成的工作不同，對微處理器的要求也不盡相同。針對具體的系統所要選擇合適的微處理器主要從以下五個方面考慮：1）微處理器的數據處理能力足夠強大以滿足系統數據處理的要求；2）外設接口和存儲容量足夠系統使用；3）使用的微處理器具有廣泛的使用用戶，便于解決遇到的問題；4）微處理器的功耗應盡可能的低；5）鑒于整個系統的低成本要求，選擇的微處理器價格不能太高。

2.2數據采集工作過程

上圖中的兩個模擬輸入端口分別為電壓和電流的測量輸入端。實際使用中電壓輸入通道使用分壓器或電壓互感器，電流輸入通道使用分流器或電流互感器。可以加入一些阻容濾波環節和量程變換電路，以提高電路的量程和抗干擾能力。

測量結果存放在電壓電流瞬時值與有效值寄存器中，通過SPI串行口（SDO、SDI、SCLK）和微控制器進行數據交換，/CS為片選信號，寄存器數據從SDO端輸出，命令字和寫入寄存器的數據從SDI端輸入，SCLK端提供通信時鐘信號。進入單片機的數據經過處理可以在顯示單元顯示，也可以從單片機的串行口送到更高一級的處理器（如PC機等），使得數據的共享性更好。

2.3硬件抗干擾設計

設計的硬件抗干擾部分主要釆用了隔離技術、接地抗干擾技術和硬件濾波軟件設計技術。

隔離技術主要用在繼電保護單元，采用數字光稱來實現輸入端和輸出端電的隔離，減小前后級之間的電氣干擾。

接地抗干擾的目的在于消除公共地線阻抗所產生的公共阻抗稱合，避免硬件受磁場和電位差的影響，防止形成地電流環路與其它電路產生磁親合干擾。一般來說，信號工作頻率低于時，采用單點接地，高于時應釆用多點接地。在之間，如采用一點接地，其地線長度不得超過波長的一半，否則應釆用多點接地。由于數據采集系統的信號有最高工作頻率，所以抗接地抗干擾設計采用單點接地的方法，個別模塊采用多點接地的方法。

硬件濾波方法是工業設備最常用的一種抗干擾手段，主要起到電源的濾波和穩壓作用：1）從線性電源穩壓得到的電壓信號紋波一般比較大，并且高頻和低頻諧波都十分豐富，從線性電源穩壓得到的電壓信號采用一個和一個片電容并聯的方式濾波基本上可以得到十分平穩的電源電壓信號；2）微處理器的供電電壓不穩定，會導致其在運行過程中易出現異常情況。所以微處理器供電電壓信號在經過電路上的非線性器件時額外加上一個小電容濾波，可以保證微處理器供電電壓的穩定，使其在運行過程中不易出現故障。

由于數據采集系統所處的環境可能十分惡劣，周圍的干擾也可能比較大，產生的電壓小信號會攜帶著大量的紋波，因此，在進行采樣之前必須對電壓小信號濾波，由于采樣器的輸入電阻比較大，所以每個釆樣通路都釆用濾波效果更好的一階濾波。

2.4數據存儲

數據采集系統所采集現場的實時數據（設計主要采集現場的溫度值和壓力百分比）一方面要能夠實時顯示，另一方面還要能夠有效的存儲。作為一個具有實時監控作用的數據釆集系統，其中一個重要的功能是能夠長期保存數據釆集系統采集到的歷史數據，在必要時，可以隨時查詢、顯示或打印。

三、高分辨率電壓與電流快速數據采集軟件設計

3.1 驅動程序設計

兩種方法能夠訪問A/D轉換器采樣得到的數據：輪詢模式和中斷模式。在輪詢模式下，可以通過檢查A/D控制寄存器的ADCCON的bit，即ECFLG轉換結束標志位，便可以得知轉換是否結束；在中斷模式下，總轉換時間，也就是從A/D采樣開始到讀取采樣數據之間的時間，會存在一些延遲，因為這種方法需要操作系統的中斷服務程序（ISR），等到ISR返回并讀取數據需要花費一些時間。

3.2 程序編譯

無論是應用程序還是設備驅動程序，都需要編寫一個工程管理文件makefile，來將自己的用C語言編寫的程序文件轉換成二進制可執行文件。makefile關系到整個工程的編譯規則，因此makefile定義了一系列的規則來指定哪些文件需要先編譯，哪些后編譯，哪些需要重新編譯，他帶來的好處就是自動化編譯。makefile文件說明了如何編譯各個源文件并連接生成可執行文件，并定義了源文件之間的依賴關系。當修改了其中某個源文件時，如果其他源文件依賴于該文件，則也要重新編譯所有依賴該文件的源文件。驅動程序的makefile文件只需修改其中的路徑名和文件名就可以制定符合自己開發板的makefile文件。

三、結束語

總之，高分辨率電壓與電流數據采集方法能夠有效地抑制串模干擾，使用較少的精密元件就能達到很高的分辨率。另一方面，能夠在較短的時間內完成一次數據采集過程。不僅提高了測量精度，而且使其校準和調整更加方便，數據采集速度也提高了很多。

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