多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

張家田 董華強(qiáng) 嚴(yán)正國

摘 要： 針對微震動檢波系統(tǒng)，設(shè)計了一種Δ?Σ技術(shù)的24位高分辨率的四通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ADS1274為核心，采用高性能MCU?STM32F103作為系統(tǒng)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(jī)命令和傳送數(shù)據(jù)，上位機(jī)中VB 6.0開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，比如對數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行顯示、濾波等處理。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； ADS1274； Δ?Σ技術(shù)； 數(shù)據(jù)處理

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

0 引 言

在現(xiàn)今的眾多領(lǐng)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(lǐng)域?qū)忍岢鲚^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(lǐng)域，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到整個系統(tǒng)的精度。

近幾年來隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于Δ?[Σ]結(jié)構(gòu)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）應(yīng)運(yùn)而生。其采用的過采樣技術(shù)，不僅提高了精度，同時也在很大程度上提高了A/D基帶內(nèi)的信噪比（SNR）。本文以ADS1274和STM32為核心設(shè)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(tǒng)，和傳統(tǒng)的循環(huán)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有節(jié)省硬件資源、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本較低[1]等特點(diǎn)。

1 24位A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率可達(dá)144 kS/s，高分辨率模式下輸出信噪比達(dá)108 dB，低功耗模式下耗散功率[2]僅35 mW。ADS1274數(shù)據(jù)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(jìn)行設(shè)置，可通過硬件跳線設(shè)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(tǒng)方案設(shè)計

多通道微信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，微弱震動信號經(jīng)過調(diào)理以后送入ADS1274，實(shí)現(xiàn)高精度多通道同步微弱信號的采集。STM32通過SPI通信協(xié)議將數(shù)據(jù)取回，然后再利用串口將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行近一步的處理。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 放大電路

由于ADS1274的設(shè)計采用差分輸入，本設(shè)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(guān)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(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能，滿足ADS1274的輸入要求，從而進(jìn)一步發(fā)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(zhuǎn)換模塊，采用SPI協(xié)議TDM模式與MCU進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)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]，F(xiàn)ORMAT[2：0]和MODE[1：0]引腳相連。分別向ADS1274提供時鐘，設(shè)置工作模式。這樣的連接方式，一方面可以根據(jù)提供不同頻率時鐘來獲得不同的轉(zhuǎn)換速率；另一方面也可以根據(jù)不同的需求來設(shè)置其不同的工作狀態(tài)，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(shè)計采用REF1004I?2.5和高速單電源軌至運(yùn)算放大器OPA350組成基準(zhǔn)電壓，產(chǎn)生電路如圖4所示，其電路抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性出色。

3.4 電源轉(zhuǎn)換電路

電源對A/D轉(zhuǎn)換電路來說是十分重要的，電源供電電壓穩(wěn)定與否將直接影響到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(jīng)過反復(fù)對比，本設(shè)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(shè)計

系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計主要是控制ADS1274工作狀態(tài)和將數(shù)據(jù)讀取回來發(fā)往PC。采用Keil4?MDK軟件環(huán)境下，使用C語言進(jìn)行程序的編寫。系統(tǒng)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(jī)發(fā)送不同的命令控制A/D對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及串口對數(shù)據(jù)的發(fā)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(fā)中斷，進(jìn)入中斷后SPI主機(jī)發(fā)送12 B的數(shù)據(jù)，提供SCLK時鐘讀取DOUT1串行輸出的4個通道的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終完成數(shù)據(jù)采集。

上位機(jī)對數(shù)據(jù)的處理軟件采用VB 6.0進(jìn)行設(shè)計[3]，兼容于Windows 7/XP操作系統(tǒng)，使用方便。其能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)與波形的顯示，中值平均濾波和相敏檢波等處理。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)以后，利用信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源和數(shù)字萬用表，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。4個通道采集幅度和頻率相同的信號，測量結(jié)果如表1所示。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種高精度的多路同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可以滿足多路數(shù)據(jù)的同步采集。利用串行通信方式進(jìn)行傳輸，設(shè)計簡單、成本較低、可靠性穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)精度滿足微震動檢測系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，可用于各種震動檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于本設(shè)計，也可以采用自組菊花鏈的方式，組成更多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足更多路微弱信號檢測系統(tǒng)和高精度精密測量系統(tǒng)，可以應(yīng)用于過套管電阻率測井儀器、地震勘探、醫(yī)療器械和安全監(jiān)測等，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)正國，張家田.高分辨同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].中國計量學(xué)院學(xué)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(xué)通Visual Basic的24課堂[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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

[5] 王飛，張家田.多通道高準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2013（3）：72?75.

[6] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.