多通道同步數據采集系統的設計與應用

張家田 董華強 嚴正國

摘 要： 針對微震動檢波系統，設計了一種Δ?Σ技術的24位高分辨率的四通道同步數據采集系統。該系統以ADS1274為核心，采用高性能MCU?STM32F103作為系統的控制單元，具有高分辨率、高速、低功耗和低速等四種工作方式。采用RS 232通信接口接收上位機命令和傳送數據，上位機中VB 6.0開發的數據處理軟件對數據進行進一步的處理，比如對數據的波形進行顯示、濾波等處理。

關鍵詞： 數據采集； ADS1274； Δ?Σ技術； 數據處理

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0168?03

0 引 言

在現今的眾多領域中，人們對眾多微弱信號的測量精度要求越來越高，有一些特殊領域對精度提出較高要求的同時對多個通道信號采集的同步性也提出了較高的要求，比如石油地震勘探、測井以及微震動檢測等領域，采集數據的準確性直接影響到整個系統的精度。

近幾年來隨著電子技術的快速發展，基于Δ?[Σ]結構的高精度模數轉換器（ADC）應運而生。其采用的過采樣技術，不僅提高了精度，同時也在很大程度上提高了A/D基帶內的信噪比（SNR）。本文以ADS1274和STM32為核心設計了一種具有24位高精度的多通道微弱信號同步采集系統，和傳統的循環采集系統相比，該系統具有節省硬件資源、結構簡單、可靠性高、成本較低[1]等特點。

1 24位A/D轉換器ADS1274

ADS1274是TI公司推出的一種基于ADS1271的24位四通道Δ?Σ A/D轉換器，具有高速、高分辨、低功耗、低速四種工作模式。高速模式下轉換速率可達144 kS/s，高分辨率模式下輸出信噪比達108 dB，低功耗模式下耗散功率[2]僅35 mW。ADS1274數據輸出采用串行接口方式，具有SPI和Frame Sync兩種串行接口方式。工作模式和串行接口方式由模式控制引腳MODE和串行接口格式控制引腳Format進行設置，可通過硬件跳線設置，也可由微處理器通過I/O口編程控制，接口非常簡單。

2 系統方案設計

多通道微信號數據采集系統的原理框圖如圖1所示，微弱震動信號經過調理以后送入ADS1274，實現高精度多通道同步微弱信號的采集。STM32通過SPI通信協議將數據取回，然后再利用串口將數據送入PC機，以便對數據進行近一步的處理。

3 硬件電路設計

3.1 放大電路

由于ADS1274的設計采用差分輸入，本設計采用TI公司推出的雙路低失真電壓反饋放大器THS4012和具有關斷功能的全差動輸入放大器THS4130組成，如圖2所示，放大電路同時實現單端轉差分功能，滿足ADS1274的輸入要求，從而進一步發揮全差分ADC具有的出色的共模抑制性能。

3.2 STM32與ADS1274接口電路

本文選取ADS1274作為轉換模塊，采用SPI協議TDM模式與MCU進行通信，數據由DOUT1口送出。ADS1274與STM32的接口電路如圖3所示。STM32的SPI引腳，分別與ADS1274的SCLK和DOUT1相連。操作PA口分別與ADS1274的CLK，DRDY，SYNC，PWDN[1：4]，FORMAT[2：0]和MODE[1：0]引腳相連。分別向ADS1274提供時鐘，設置工作模式。這樣的連接方式，一方面可以根據提供不同頻率時鐘來獲得不同的轉換速率；另一方面也可以根據不同的需求來設置其不同的工作狀態，以便于降低功耗。

3.3 參考電壓電路

ADS1274以及THS4130的正常工作都需要提供一個2.5 V的參考電壓。本設計采用REF1004I?2.5和高速單電源軌至運算放大器OPA350組成基準電壓，產生電路如圖4所示，其電路抗干擾能力強、穩定性出色。

3.4 電源轉換電路

電源對A/D轉換電路來說是十分重要的，電源供電電壓穩定與否將直接影響到A/D轉換結果的精度。ADS1274的正常工作需要5 V，3.3 V和1.8 V的供電電壓。經過反復對比，本設計采用TPS73633DBVT和TPS73618DBVT芯片提供3.3 V和1.8 V電壓。5 V電壓則由電源直接提供。

4 軟件設計

系統的軟件編程設計主要是控制ADS1274工作狀態和將數據讀取回來發往PC。采用Keil4?MDK軟件環境下，使用C語言進行程序的編寫。系統工作主程序流程圖如圖5所示，主要包括MCU的初始化，A/D模塊，SPI，串口和中斷的配置，上位機發送不同的命令控制A/D對數據的轉化以及串口對數據的發送。

子程序流程圖如圖6所示，以DRDY信號作為外部中斷源，觸發中斷，進入中斷后SPI主機發送12 B的數據，提供SCLK時鐘讀取DOUT1串行輸出的4個通道的數據，通過串口將數據發送給上位機，上位機數據處理軟件對數據進行處理，最終完成數據采集。

上位機對數據的處理軟件采用VB 6.0進行設計[3]，兼容于Windows 7/XP操作系統，使用方便。其能夠對數據進行數據與波形的顯示，中值平均濾波和相敏檢波等處理。

5 實驗結果

在系統軟硬件設計完成后，對系統進行微調以后，利用信號發生器、直流穩壓電源和數字萬用表，對系統進行測試。4個通道采集幅度和頻率相同的信號，測量結果如表1所示。

6 結 論

本文設計了一種高精度的多路同步數據采集處理系統，可以滿足多路數據的同步采集。利用串行通信方式進行傳輸，設計簡單、成本較低、可靠性穩定。通過實驗測試表明，該系統精度滿足微震動檢測系統的設計指標，可用于各種震動檢測數據采集系統。基于本設計，也可以采用自組菊花鏈的方式，組成更多路同步數據采集系統，以滿足更多路微弱信號檢測系統和高精度精密測量系統，可以應用于過套管電阻率測井儀器、地震勘探、醫療器械和安全監測等，應用前景可觀。

參考文獻

[1] 嚴正國，張家田.高分辨同步數據采集處理系統設計[J].中國計量學院學報，2006（3）：192?195.

[2] TI. Quad/octal， simultaneous sampling， 24?bit analog?to?digital converters [R]. US： TI， 2011.

[3] 高春艷，安劍，鞏建華.學通Visual Basic的24課堂[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4] 蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[5] 王飛，張家田.多通道高準確度數據采集系統設計和應用[J].電氣應用，2013（3）：72?75.

[6] 譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.