基于ADS1278的高精度微應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)

莫培旺，王力虎，劉明建，薛志剛

（1.廣西師范大學(xué) 廣西 桂林 541004；2.湖南五舟檢測科技有限公司 湖南 湘潭 411101）

微應(yīng)變信號(hào)采集是橋梁振動(dòng)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量和壓力測量等設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)微應(yīng)變信號(hào)的高精度采集，本文基于德州儀器公司的24位高精度工業(yè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADS1278，設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度微應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)，并給出對(duì)應(yīng)的前端調(diào)理電路和數(shù)字采集模塊。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能有效采集微應(yīng)變信號(hào)。

1 ADS1278簡介

1.1 ADS1278特點(diǎn)

ADS1278內(nèi)部集成有多個(gè)獨(dú)立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器、FIR數(shù)字濾波器、輸入多路復(fù)用器等功能。可通過內(nèi)部控制寄存器的不同配置得到不同的A/D采樣速率、采樣模式、A/D轉(zhuǎn)換精度等，支持高速、高精度、低功耗、低速等4種工作模式[1]。ADS1278可以通過設(shè)置相應(yīng)的輸入/輸出引腳選擇工作模式，不需寄存器編程。其數(shù)據(jù)輸出可選同步或 SPI串行接口[2]，便于連接到 FPGA、DSP及微控制器，適用于對(duì)性能、功耗要求高、模擬通道要求多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如橋梁振動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量及壓力測量設(shè)備等。

ADS1278的主要性能有：8通道同時(shí)采樣測量，高達(dá)128 kSPS的數(shù)據(jù)傳輸速率，線性相位數(shù)字濾波器，SPITM或幀同步串行接口，62 kHz帶寬，111 dB信噪比 （高分辨率模式）以及高達(dá)108 dB的總諧波失真（THD）等。

圖1 ADS1278內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Internal structure diagram of ADS1278

1.2 ADS1278工作原理

如圖1所示為ADS1278內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要由8個(gè)獨(dú)立的ADC并行實(shí)現(xiàn)8通道輸入信號(hào)的數(shù)字化，每個(gè)ADC由先進(jìn)的6階斬波Δ-∑調(diào)制器，后接低紋波、線性相位的有限沖積響應(yīng) （FIR）數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器檢測差分輸入信號(hào)VIN=（AINP-AINN）， 并與差分參考電壓 VREF=（VREFPVREFN）相比較得到一個(gè)1秒密度的位流輸出，輸出的位流經(jīng)內(nèi)部的數(shù)字濾波器濾波后得到一個(gè)低噪聲的數(shù)字輸出。工作時(shí)，調(diào)制器以高速采樣輸入信號(hào)（典型值輸出數(shù)據(jù)率的64倍），其產(chǎn)生的量化噪聲被移入高頻帶，由內(nèi)部的數(shù)字濾波器濾除。調(diào)制器的過采樣倍率與工作模式有關(guān) 分別可取倍 （高速、低速、低功耗模式）或128倍 （高精度模式）。數(shù)字濾波器可對(duì)截止頻率外的信號(hào)衰減100 dB以上，使信號(hào)導(dǎo)通帶寬在90%的奈奎斯特頻率時(shí)紋波低于0.005 dB。

1.3 ADS1278接口特性

如圖1所示，ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出采用串行接口，可采用SPI和幀同步兩種接口協(xié)議。對(duì)應(yīng)SPI和幀同步接口協(xié)議，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分別通過獨(dú)立的DOUT引腳以并行數(shù)據(jù)形式（離散模式）移位輸出或通過一個(gè)共同的引腳DOUT1（TDM模式）移位輸出，協(xié)議和數(shù)據(jù)輸出格式的選擇由FORMAT[2:0]引腳的輸入狀態(tài)確定。

2 以ADS1278為核心的高精度采樣電路

2.1 設(shè)計(jì)框圖

采樣電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。其中，前端調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)VIN的濾波、放大；ADS1278對(duì)經(jīng)濾波、放大的信號(hào)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換[4]；通過FPGA的引腳電平選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1278數(shù)據(jù)輸出的接口類型、接口協(xié)議、掉電控制、輸出格式、工作模式、主時(shí)鐘、數(shù)據(jù)串口傳輸時(shí)鐘等配置，并完成數(shù)據(jù)采集與傳輸；ARM處理器Cortex-A8主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖2 設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design diagram

2 .2 前端調(diào)理電路

ADS1278的前端調(diào)理電路如圖3所示。采用共模濾波器ZJYS51R5-2P TDK和可編程增益放大器PGA280AIPW對(duì)輸入信號(hào) VIN進(jìn)行濾波及放大，其中 CS、SCLK、SDI可以與FPGA相應(yīng)輸入輸出端口連接，通過FPGA的配置實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào) 1/8～128（1/8，1/4，1/2，1，2，4，8，...，128）的放大倍數(shù)。

圖3 前端調(diào)理電路Fig.3 Front-end conditioning circuitry

2 .3 數(shù)字采集模塊

如圖2所示，ADS1278接收差分模擬信號(hào)，輸入信號(hào)接到引腳AINP、AINN，AINP為正信號(hào)輸入端，AINN為負(fù)信號(hào)輸入端[5]。數(shù)字地（DGND）與模擬地（AGND）分開布局，然后在ADS1278上通過一個(gè)共地點(diǎn)來連接DGND和AGND引腳。

FPGA的 IO_1（IO/LVDS23p）與 ADS1278的掉電控制端口相連接，將IO_1拉低，屏蔽各通道的掉電控制功能。

ADS1278與EP1C12Q240C8之間采用SPI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以補(bǔ)碼形式輸出24位數(shù)據(jù)，正的滿刻度輸入時(shí)，輸出數(shù)據(jù)編碼為7FFFFFH；負(fù)的滿刻度輸入時(shí)，輸出數(shù)據(jù)編碼為800000H[6]。MODE[1:0]=01，設(shè)置成高精度工作模式。TEST[1:0]=00，設(shè)置ADS1278處于正常工作模式。

ADS1278無需啟動(dòng)信號(hào)，只要通電即開始轉(zhuǎn)換，可在任何需要的時(shí)候通過查詢引腳為低電平時(shí)取走數(shù)據(jù)。在SPI串行時(shí)鐘SCLK的時(shí)序下，F(xiàn)PGA從ADS1278的DOUT1引腳一位一位地讀取，并首先存儲(chǔ)在SRAM1芯片。當(dāng)SRAM1存儲(chǔ)滿數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA內(nèi)部總線允許ARM處理器取走數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，F(xiàn)PGA繼續(xù)從ADS1278的DOUT1引腳一位一位地讀取，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM2芯片上；當(dāng)SRAM2芯片存儲(chǔ)滿數(shù)據(jù)時(shí)，ARM處理器轉(zhuǎn)而從SRAM2通過FPGA總線取走數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA繼而又把從ADS1278讀取來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM1......，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流不間斷、無縫傳輸。即所謂的雙RAM乒乓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理。

3 測試結(jié)果

如圖4所示，輸入信號(hào)為1/4橋電路的差分微應(yīng)變模擬信號(hào)，其中，R1為應(yīng)變片等效電阻，R2=R3=R4=120 Ω，均為精度達(dá)千分之一的精密電阻，保證能檢測到應(yīng)變片產(chǎn)生微變時(shí)所引起的信號(hào)。當(dāng)應(yīng)變片無形變時(shí)，R1的理論阻值為120 Ω，電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生形變時(shí)，電橋失衡，產(chǎn)生差分微應(yīng)變模擬信號(hào)VIN，其值如下

為校驗(yàn)所設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)的可行性，我們使應(yīng)變片先后在53、63、76、86、104秒時(shí)發(fā)生不同程度的形變， 理論計(jì)算得到的電橋輸出電壓約為2×10-3、4×10-3，圖5則是上述采樣系統(tǒng)的實(shí)測輸出。可見，該系統(tǒng)以高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1278為核心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片發(fā)生微小形變所產(chǎn)生信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換和采集，具有非常高的精度。

圖4 輸入信號(hào)為1/4電橋的差分微應(yīng)變模擬信號(hào)示意圖Fig.4 Schematc diagram of input signal is 1/4 bridge differential micro-strain

圖5 采樣得到的微應(yīng)變信號(hào)波形Fig.5 Micro-strain signal wave from sampled

4 結(jié)束語

ADS1278是基于Δ-Σ技術(shù)的高精度高性能的工業(yè)級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有眾多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于對(duì)性能、精度要求高、模擬通道要求多的各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文以ADS1278為核心設(shè)計(jì)的微應(yīng)變信號(hào)采集電路，已成功應(yīng)用于橋梁振動(dòng)檢測等產(chǎn)品。

[1]Texas Instruments incorporated.ADS1278 data sheet（BURRBROWN）-Soiseek.cn[EB/OL]. [2013-3-20].http://www.soiseek.cn/BURR-BROWN/ADS1278/

[2]朱康生，洪贏政，黃斌.ADS1278在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（4）：24-28.

ZHU Kang-sheng，HONG Ying-zheng，HUANG Bin.Application of high precision ADS1278 in data acquisition system[J].Electronic Design Engineering，2009，17（4）:24-28.

[3]黃爭.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用手冊(cè)——基礎(chǔ)知識(shí)篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]ADI公司.ADI模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]張志剛.常用A/D、D/A器件手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]劉書明.高性能模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.