一種并行多通道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設計

郭 潔，潘燁煬，張林穎，李 婷，王 鵬

（中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

近20年里無損檢測技術在我國得到了迅速的發(fā)展，其若干單項技術在研制和運用水平上都已經(jīng)進入了國際先進行列，并在航空航天、武器制造、汽車制造以及海關檢查等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中得到廣泛應用。通過多次技術合作和攻關，已制定了回彈法、超聲回彈綜合法、取芯法、拔出法等一系列無損檢測的規(guī)程。伴隨著無損檢測技術的發(fā)展和日益完善，除了常用的超聲波外，紅外成像技術、雷達技術、波動分析技術、電磁、激光等技術也逐漸被應用。隨著配套開發(fā)和研制的檢測設備發(fā)展到智能化時代，相位信息已在無損檢測領域廣泛應用［1－3］。與此同時，激振檢振技術在工程應用中更是無損檢測研究的一個重要的方向［4，5］。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，多采用異步多路數(shù)據(jù)采集模式，此類系統(tǒng)僅能獲取模擬信號的頻率幅度信息，本文根據(jù)激振檢振技術相位信息運用需求，介紹了一種多通道同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，此系統(tǒng)不但能夠采集到模擬信號的頻率幅度信息，同時能夠保持不同模擬信號之間的相位信息［6］。

1 系統(tǒng)設計方案

多通道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)提供8通道模擬信號輸入通道，多路模擬開關應用于系統(tǒng)的擴展，以增加模擬通道的路數(shù)；傳感器模擬輸出信號常夾雜高頻噪聲，由調(diào)理電路完成對高頻噪聲的濾除，同時為提高A／D轉(zhuǎn)換器模擬輸入的動態(tài)范圍，調(diào)理電路還需對模擬信號進行放大；A／D轉(zhuǎn)換模塊采用8通道同步模擬轉(zhuǎn)換器，以完成8路模擬信號的同步采樣；控制單元主要完成A／D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動、多路模擬開關的導通控制、信號調(diào)理模塊的相應控制及與硬件系統(tǒng)和上位機間的通信。

圖1 多通道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)總體框圖

2 分系統(tǒng)設計

根據(jù)總體設計方案，該系統(tǒng)包括調(diào)理模塊、多路模擬開關、A／D轉(zhuǎn)換器、通信接口及控制單元等。

2．1 調(diào)理電路

信號調(diào)理模塊包括低通濾波和信號放大兩個部分。

2．1．1 濾波電路

傳感器輸出的模擬信號常含有高頻噪聲，需設計一低通濾波電路將高頻噪聲進行濾除。常用的低通濾波電路有兩種［7］：①運放加阻容元件；②采用集成濾波芯片。集成濾波芯片具有精度高、體積小的特點，本系統(tǒng)采用集成低通濾波芯片［8］MAX291。

MAX291具有外部時鐘和內(nèi)部時鐘兩種工作方式，根據(jù)其工作原理，本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，電路較為簡單，使用方便。當使用內(nèi)部時鐘時，其時鐘頻率f（kHz）由CLK引腳與地之間跨接的一電容C確定，具體關系如下：

其中：C為CLK與地之間跨接的電容，pF。

MAX291的截止頻率為時鐘頻率的1／100，根據(jù)工程需要，本系統(tǒng)時鐘驅(qū)動電容C取值為20pF。為保持各路相位信息的一致性，系統(tǒng)采用一片電容驅(qū)動各路濾波芯片內(nèi)部時鐘。低通濾波電路如圖2所示。

圖2 低通濾波電路

2．1．2 放大電路

由于輸入模擬信號的動態(tài)范圍無法滿足A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求，為使輸入信號與采樣信號匹配，在濾波電路之后加一程控運算放大電路，如圖3所示。

圖3 程控放大電路

程控放大電路為一同相輸入運算電路，由高速高精度運算放大器和數(shù)字電位器構(gòu)成。通過控制數(shù)字電位器的阻值實現(xiàn)電路放大倍數(shù)的控制。高速運算放大器選用OP37，該運放具有噪聲低、失調(diào)電壓小、溫漂小等特點，增益帶寬積達到63MHz。數(shù)字電位器選用MAX5484，該電位器具有非易失、線性變換的特性［9］，有1 024個抽頭，最大電阻為50kΩ。

2．2 采集模塊設計

信號采集電路采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1308，其具有獨立8通道模擬輸入端口，獨立的采樣保持電路為每個通道提供同時采樣，提供5V的模擬信號電壓輸入范圍，采樣精度為12位，采樣頻率達到每通道456ks／s。為了保證ADC芯片的12位采樣精度，在每個模擬輸入通道之前設計了一個由OP37構(gòu)成的電壓跟隨器，作為輸入緩沖模塊。

根據(jù)MAX1308的工作原理，系統(tǒng)使用其內(nèi)部參考時鐘，因為ADC芯片的8個通道在電路使用中均一直處于工作狀態(tài)，所以在電路設計中放棄關斷模式和通道關斷模式，將芯片的SHDN管腳置為低電平，CHSHDN置為高電平；其余的控制管腳與控制器FPGA相連，12位數(shù)字總線與FPGA的IO口連接，并行輸出轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字信號，同時D0～D7端口作為配置信息輸入端口。ADC芯片連接示意圖見圖4。

2．3 輔助電路設計

輔助電路包括系統(tǒng)電源及通信接口設計兩個部分。ADC芯片的供電電壓為±5V，采用LM7805和LM7905進行供電，控制器EP3C10E144C8N的供電電壓為3．3V、1．5V 和1．2V，采用LM1117系列芯片進行供電。為方便與上位機相連，通信接口選用RS232－USB通信方式［10］，轉(zhuǎn)換芯片選用Prolific公司生產(chǎn)的PL2303，該芯片僅需外接幾只電容便可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)上、下位機的雙向通信。

圖4 ADC芯片連接示意圖

2．4 控制模塊設計

完成信號調(diào)理及ADC模塊硬件設計之后，最重要的便是其ADC轉(zhuǎn)換邏輯、程控放大自動增益控制以及整個系統(tǒng)的時序控制。系統(tǒng)選用ALTERA公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP3C10E144C8N，完成與上位機之間的通信和對ADC芯片的驅(qū)動及程控放大的控制。下位機軟件采用分層模塊化設計，運用VHDL語言及集成開發(fā)工具定制文件實現(xiàn)。下位機軟件大致可以分為3個部分，即系統(tǒng)總體控制程序、ADC驅(qū)動控制程序及程控運放控制程序。

程控運放程序主要完成信號調(diào)理中運放的自增益設置。首先從控制器RAM中讀取數(shù)控電位器控制數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)有效便將數(shù)據(jù)寫入數(shù)控電位器，若無效則初始化后寫入，啟動一次ADC，并根據(jù)采集回的數(shù)據(jù)進行運放電阻調(diào)制，直至將測量電壓調(diào)制在4．5V～－4．5V附近，最后將電位器控制參數(shù)寫入控制器RAM，具體流程如圖5（a）所示。

ADC控制程序主要完成ADC芯片的驅(qū)動控制。首先通過數(shù)據(jù)總線D0～D7對ADC芯片進行配置，使模擬8通道均處于使用狀態(tài)。配置完畢后，啟動ADC芯片，等待所有通道均轉(zhuǎn)換完畢后，對各通道數(shù)據(jù)進行依次讀取，具體流程如圖5（b）所示。

下位機主控制程序負責下位機整體時序的控制。程控運放增益倍數(shù)調(diào)制合適后，將數(shù)字電位器控制參數(shù)發(fā)送回上位機，啟動ADC芯片進行數(shù)據(jù)采集，并將采回的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機。若系統(tǒng)為連續(xù)采集，則重新啟動ADC芯片重復上述步驟；如非連續(xù)采集，則結(jié)束此次數(shù)據(jù)采集。主程序流程如圖5（c）所示。

圖5 下位機軟件流程圖

3 實驗結(jié)果

完成系統(tǒng)的硬件設計以后，運用分層模塊化的方式，對ADC控制軟件進行了實現(xiàn)，并進行了在線仿真，通過信號convt對ADC進行啟動控制，當各通道數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換完畢后（eolc0和eolc1均為低電平），通過連續(xù)的8個rd信號，完成8通道采集數(shù)據(jù)的讀取，具體仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 ADC控制仿真

4 結(jié)語

本文根據(jù)激振檢振工程運用需求，介紹了一種基于MAX1308的并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，可以完成8通道模擬數(shù)據(jù)的同時采集，能夠很好地保持各通道數(shù)據(jù)間的相位信息，并利用VHDL語言及集成開發(fā)工具定制文件，通過分層模塊化的方式，很好地完成了在電壓范圍內(nèi)的采樣，實現(xiàn)了對ADC控制軟件的設計和仿真。

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