帶自標定的AD采樣系統

文/朱貞 王本國 梁慶仟

數據采集系統是現代測控領域的關鍵環節之一，在精度要求比較高的控制應用中，對數據采集的精度要求也高，因此實現高精度的數據采集一直在工業控制領域占有重要地位。

1 概述

文章論述了實現該技術所需的軟硬件組成，通過實驗證實了該方案的可靠性。

本次設計采用的是Silicon Labs公司生產的C8051F350完成通訊控制、現場采集控制、電信號A/D轉換功能。其特點如下：采用“多數字，少模擬”設計，是該公司推出的帶片上ADC的8051兼容MCU。該芯片內部有一個全差分24位的Sigma-Delta模/數轉換器（ADC），該ADC具有在片校準功能?？梢允褂脙炔康碾妷夯鶞?，ADC中包含一個可編程增益放大器，有8種增益設置，最大增益可達128位，適合小信號的測量、采集；該芯片包含有8路ADC和1路片上溫度傳感器，可以進行現場多輸出量的采集并對現場溫度進行監測，對采集得到的數據進行溫度補償，提高采集系統精度；該芯片還包含雙8位DAC，便于對現場設備進行簡單的控制；該芯片也包含了串行通信外設，可以在不增加芯片的條件下將采集到的數據用串口輸出；該款芯片支持二線（C2）開發接口，支持FLASH編程；同時該芯片可工作在（-40℃-+85℃）范圍內，適合惡劣的工業環境；工作電壓為2.7V-3.6V，功耗小、可長時間開機工作，所有的I/O口都容許5V的輸入電壓信號，兼容性強。

2 帶自標定的AD采樣系統的硬件組成

該系統的硬件包括：數據通訊模塊、模數轉換模塊、模擬信號調理模塊、測量比較模塊和待測信號。數據通訊模塊以串口的形式將數據傳輸至外面接收系統，本次實驗用計算機接收該數據并對其進行分析；模數轉換模塊用于實現模擬信號到數字信號的轉換，本系統使用C8051F350自帶的高精度模數轉換模塊來實現該功能，它包括8路24位AD轉換單元；模擬信號調理模塊對待測信號進行濾波，減小信號傳輸過程中產生的高頻噪聲；測量比較模塊用兩個高精度電壓源，作為測量比較模塊，對其進行采樣、數據分析，形成系統當次開機的采樣數據擬合曲線。待測信號用于測量陀螺、加速度計、溫度傳感器等高精度傳感器的測量、取值，實驗中為方便數據分析，采用外接高精度電壓源作為待測信號。

表1

圖1：以2.5V直流電壓做實驗時的數據圖形

3 帶自標定的AD采樣系統的軟件設計

該系統的軟件主要由擬合程序、主程序、數據處理程序和通訊程序組成。整個主程序的執行過程包括：系統初始化、采樣測量比較模塊電壓的數據并濾波，用前面得到的數據形成擬合曲線，測量待測電壓、將測量數據代入擬合曲線并濾波、輸出最終數據。

3.1 主程序設計

在系統初始化程序部分，為了減小系統中芯片的數量達到將體積見到最小的目的，程序通過設置寄存器OSCILCL使用芯片的內部振蕩器、將系統時鐘定在24.576MHZ；在A/D轉換模塊的初始化部分，設置SFR、PGA、MDCLK、ADC0DECH和ADC0DECL幾個寄存器，完成對A/D轉換器設置，使用內部2.5V電壓基準，由于較高的抽取比會降低噪聲，所以抽取比設為834，數據輸出頻率為1000HZ；在串口初始通過將采集系統數據輸出的波特率為115.2KBPS。

3.2 數據處理部分設計

數據處理設計部分包括：

（1）比較模塊電壓采樣：分別用三路采樣電路對兩個比較模塊進行電壓采樣，然后各自進行平均、濾波，形成待使用數據；

（2）數據濾波：對兩組t-4，t-3，t-2，t-1，t時刻的數據進行濾波，減小噪聲對電壓采樣函數的影響；

（3）形成電壓采樣函數：根據兩路比較電壓的數據，擬合出電壓采樣函數，本次實驗采用的是一次擬合函數f(x)=k1x+k2；

（4）對兩組待測電壓采樣并平均；

（5）將待測電壓采樣數據代入采樣函數形成待輸出數據。

由于電路中高頻白噪聲的存在，故在程序設計中主要實現的是低頻段漂移及噪聲的濾除工作。

4 實驗結果與結論

在實驗過程中，使用一高精度波形發生器作為基準電壓，待測量目標分為直流電壓和正弦信號兩類，直流電壓包括1V、1.5V、2V，正弦信號為2V、10hz，在電路中設計三路采樣電路對同一電壓進行采樣，然后對其進行分析、處理，形成擬合數據，然后將該數據代入所測量電壓的采樣數據中，經過數據處理分析，圖表如表1和圖1所示。

通過以圖表1得出結論：該方法減小了信號采樣值與真值之間的差值，使數據更接近采樣信號真實值，提高了數據的可信度，但對于數據噪聲方面的抑制沒有明顯效果，這點需要在以后的實驗中進一步解決。