基于AD7609 的高精度數據采集系統

潘紹明，王 浩，尚會增，尹夢碟

（廣西科技大學 自動化學院，廣西 柳州 545006）

0 引 言

作為一種將模擬量轉化為數字量的手段，數據采集在自動控制、自動檢測、電子測量等自動化、智能化系統中被廣泛應用，它是基于計算機實現不同工作過程的基礎[1]。在目前的發展階段，各個產業的發展都涉及到大量的數據處理，新的發展要求不能僅僅依靠傳統的數據采集系統來滿足，還要將先進的數據采集設備和技術運用到實際工作中，這對于優化數據采集結果、提高工作效率、促進行業更好地發展等眾多方面都具有重要意義[2]。韓賓等人[3]設計了以FPGA 和STM32 架構為數據處理和控制核心的數據采集系統，實現了16 路高精度數據的實時處理和采集功能，采樣頻率可調，滿足了精密產品所需的多通道、高精度和實時數據采集功能。但是使用FPGA 控制模塊的成本過高，不能滿足更多的使用場景。寇劍菊等人[4]設計了基于AT89S52 和AD7865 構成的四通道并行數據采集系統，但是AD7865 是14 位四路采集芯片，其精度和通道數量都有所限制，所以適用范圍較小。徐國明等人[5]利用AD7606 設計了一種數字多功能表，信號采集部分使用了高性能ADC，為了保證整個測量段的數據精度，電流線路使用了有源補償方式，確保系統能夠以最高30 MHz 的時鐘速率工作。司云樸等人[6]使用STM32 配合AD7609 芯片設計了組合稱重裝置，AD7609 的8 個通道可以同時采樣，且均使用差分輸入，每個通道的采樣速率為20 KSPS。整個系統運行速度快、精度高。常見的數據采集系統大多以DSP 或者FPGA 配合12 位的AD 芯片進行數據采集，已經可以滿足大多數行業的使用，對于一些要求速度高、精度高的行業，常見的采集系統顯然不能滿足其要求[7]。本文設計了一種以STM32F407ZET6 和AD7609 為核心，包含8 個18 位采集通道的數據采集系統，在配備電池模塊和存儲模塊的同時，將控制部分和采集部分采用模塊化設計，讓用戶輕松離線使用，不用固定電源，豐富使用場景。整個系統屬于實用性強、成本低、推廣前景好的多通道、高精度、高智能化數據采集裝置。

1 總體設計

數據采集系統的整體設計方案如圖1 所示。為了方便用戶使用，將控制部分和采集部分采用模塊化設計，設計了一塊底板將兩個模塊安裝在上面。控制模塊主要是由STM32 及其外圍電路構成，同時引出4 個串口和2 路CAN總線，方便與其他模塊搭配使用，提高了多場景的適用性。AD7609 配合其外圍電路構成了采集模塊，同時在底板上設計了供電系統和SD 卡存儲模塊，方便離線操作的同時還能保存采集的數據。

圖1 整體設計方案

信號輸入接口完成采集裝置與外部模擬信號的電氣連接，通過AD7609 完成模擬信號到數字信號的轉換，基準電壓電路提供AD 轉換的基準電壓，STM32 完成AD 轉換的控制、轉換結果的處理以及與其他系統的通信控制。數據儲存模塊使用的是SD 卡，用來儲存采集的數據。

本系統的AD 采集芯片使用的是ADI 公司的AD7609 芯片，該芯片是一款高速高精度的模數轉換器，擁有8 個18 位的采集通道，所有通道最高可有200 KSPS 的吞吐量[8-10]。芯片采用5 V 單電源為系統供電。AD7609 可以選擇±5V 或者±10 V 的輸入電壓，兩種模式都可以處理真雙極性輸入電壓。為了允許AD7609 與輸入信號直接相連，不使用前端驅動放大器，芯片內部的模擬輸入阻抗固定為1 MΩ，與采樣的頻率沒有任何關系。芯片內部配備了模擬輸入鉗位保護電路，允許輸入最大電壓達到±16.5 V。因為芯片內部配備了采樣保持放大器，可以使用ADC 18 位分辨率來采集滿量程的正弦波。在基準電壓方面，AD7609 提供兩種選擇模式，既可以使用內部提供的2.5 V 基準電壓，又可以使用外部基準電壓源。需要注意的是，在使用外部基準電壓源的時候需要采樣一個100 nF 的電容對REFIN/REFOUT 引腳去耦，在使用內部基準電壓源的時候則需要用10 μF 的陶瓷電容。在數字接口方面AD7609提供了并行接口和串行接口兩種選項，可以通過PAR/SER SEL 引腳來選擇需要的接口模式。為了可以在較低的采樣速率下或者在高信噪比的情況下使用，AD7609 內部配備了一個靈活的數字一階sinc 濾波器。

AD7609 的功能框圖如圖2 所示，下面對相關引腳進行簡單介紹。

圖2 AD7609 功能框圖

REF SELECT 引腳用于系統選擇使用內部基準電壓還是外部基準電壓輸入。如果系統選擇使用內部基準電壓，可將此引腳設置為邏輯高電平，內部基準電壓由AD7609 自身產生并使用。如果系統需要使用外部基準電壓，可將此引腳設置為邏輯低電平，內部基準電壓將會被禁用，同時還需要將外部基準電壓輸入到REFIN/REFOUT 引腳。

RANGE 引腳是用來選擇整個系統模擬通道輸入量程范圍的。整個系統的量程范圍有±5 V 和±10 V 兩種可選。如果需要系統模擬通道輸入范圍都為±5 V，那么就需要將此引腳設置為邏輯低電平。如果需要系統模擬通道輸入范圍都為±10 V，那么就需要將此引腳設置為邏輯高電平。

PAR/SER SEL 引腳用于選擇系統的數據接口是并行輸入還是串行輸入。如果需要系統所有通道并行輸入，那么就需要將此引腳設置為邏輯低電平。如果需要系統所有通道是串行輸入，那么就需要將此引腳設置為邏輯高電平。

CONVST A 引腳和CONVST B 引腳可以控制模擬輸入通道轉換，CONVST A 對V1、V2、V3、V4 的四個通道進行控制啟動采樣，CONVST B 對V5、V6、V7、V8 的四個通道進行控制啟動采樣。如果將CONVST A 與CONVST B兩個引腳相連，并由二者給出一個轉換開始的信號，就可以對八個通道進行同時采樣。

2 系統硬件設計

2.1 AD7609 采集電路設計

根據系統的設計需要，系統采用的是并行接口，因此PAR/SER SEL 引腳需要與邏輯低電平相連接。該系統設計的量程為±10 V，因此需要將RANGE 引腳與邏輯高電平連接起來。該系統為8 通道同時采集，可將CONVST A 引腳與CONVST B 引腳短路連接，并施加一個轉換啟動信號。該系統使用外部基準電壓，因此設置REF SELECT 為邏輯低電平，禁止使用內部參考電壓，并在REFIN/REFOUT 引腳上施加外部基準電壓。圖3 為AD7609 采集電路的原理。

圖3 采集電路原理

2.2 外圍電路設計

外圍電路包括基準電壓電路和SD 卡儲存電路。系統的基準電壓通過REF5025 產生。REF5025 是一款噪聲低、產生的基準電壓精度極高的芯片，輸入電壓范圍最大可達18 V，輸出2.5 V 電壓，工作溫度為-55 ～125 ℃，使用場景豐富[11-13]。電路中NR 和接地之間的電容用來濾除噪聲，電源引腳和接地之間為去耦電容，輸入和接地之間的電容對輸出進行去耦。

儲存模塊采用大容量SD 卡，保證數據的寫入和讀取。為了保證傳輸速度，對SD 卡的控制方式采用6 線制，即通過使用STM32 對SD 卡的CLK、CMD 和DAT0 ～DAT3 六個引腳進行控制來實現數據傳輸。圖4 和圖5 為基準電壓電路和SD 卡儲存電路。

圖4 基準電壓電路

圖5 SD 卡儲存電路

3 系統軟件設計

3.1 AD7609 采集電路設計

AD7609 采樣模塊的工作流程如圖6 所示。首先通過STM32 控制模塊將CONVST 引腳電平拉低，啟動轉換；然后讀取BUSY 引腳的信號，當BUSY 引腳信號變為低電平時，說明轉換完成，系統可以讀取采樣數據，并觸發中斷來讀取數據。讀取數據時，首先使能CS 信號，然后變換RD信號來讀取數據。RD 引腳要讀取所有18 位轉換結果，一共需要2 個RD 脈沖。每個通道的轉換結果可以逐個升序輸出到并行輸出總線DB[15：0]，向RD 引腳施加16 個脈沖序列。BUSY 變為低電平后，第一次的RD 脈沖下降沿輸出通道V1的結果DB[17：2]，下一次的RD 脈沖下降沿用通道V1 的結果DB[1：0]更新總線。整個轉換過程需要16 次RD 脈沖，能夠完整讀取AD7609 的8 通道18 位轉換及結果。輸出通道V8 的DB[1：0]是RD 脈沖的第16 個下降沿的轉換結果。每個信道的數據轉換結果可以在RD 信號為邏輯低電平時傳送到STM32 控制模塊。

圖6 AD 轉換流程

在實際工程中，通過前端傳感器出來的信號基本都是模擬信號，而后端STM32 主控芯片是處理數字信號的，因此需要用到ADC 進行模數轉換。ADC 包括3 個基本功能：采樣、量化和編碼。采樣過程是離散模擬信號的時間，使其成為采樣信號；量化是將采樣信號的幅度離散化為數字信號；編碼是將數字信號轉換為數字系統可以接受的形式。同時，ADC 分辨率越高，所需轉換時間越長，轉換速度越低。因此，ADC 的分辨率和轉換速度總是相互制約的。

AD7609 的輸出編碼方式為二進制補碼。所設計的碼轉換在連續LSB 整數值的中間（即1/2LSB、3/2LSB）進行。AD7609 的LSB 大小為FSR/262144。AD7609 的FSR 在±10 V 范圍內為40 V，在±5 V 范圍內為20 V。AD7609 在不同量程下輸出電壓的計算公式如下：

式（1）和式（2）分別為±10 V 和±5 V 范圍下的計算公式。CODE 為轉換后的二進制碼，V+和V-是電源供電電壓，REF 為基準電壓。

3.2 數據儲存模塊

本系統使用SD 卡對收集到的數據進行存儲，這樣可以應對需要大批量采集數據和使用離線采集的工作情況。此系統使用了FATFS 文件系統模塊，如圖7 所示為存儲系統的工作流程。首先，初始化SD 卡，即將SD 卡的格式轉換為FAT32 文件系統格式，從而創建文件，并以FAT32 格式存儲信息。開始初始化是在系統確認SD 卡與系統正常連接后。整個過程包括：讀取原始FAT 表，發現空間簇并確定起始簇號，重新寫入SD 卡的FAT 表，讀取目錄條目信息，向文件信息結構分配文件信息，重新寫入SD 卡目錄等。初始化后SD 卡即可讀取寫入，AD 采樣信號啟動后對SD 卡觸發寫入指令，該命令必須包含一個與SD 卡的物理地址相對應的寫入地址；接收到數據后，SD 卡校驗地址，執行CRC 驗證，并發送響應指令。

圖7 數據儲存工作流程

4 實驗測試

為了驗證整個系統設計的穩定性和可行性，使用Altium Designer 20 設計了系統的電路原理圖，并且設計了系統的PCB 文件，制作并焊接了電路板。實驗采用5 V 直流電源模塊來測試8 個通道的電壓采集情況。首先，使用萬用表測量5 V 電源模塊輸出電壓為5.08 V，對5 V 直流電源模塊引出8 個并聯的100 Ω 電阻；然后將每個電阻的兩端接入系統采樣通道，使用Keil uVision 5 配合串口調試助手來檢測系統各個通道的采樣電壓值。實驗結果見表1 所列，CH1 ～CH8為系統的8 個通道輸出的電壓值，隨機讀取兩次8 個通道的輸出值，小數點后保留10 位，之后計算系統采樣值與實際電壓值的誤差。經過計算平均誤差為0.11%。

表1 采樣實驗結果

5 結 語

本文設計的數據采集系統充分考慮了性價比和易用性。將高精度AD 轉換芯片AD7609 與微控制器STM32F407 相結合。目前STM32 系列微控制器在市場的占有率非常高，大大降低了采集系統的成本；AD7609 芯片精度高、速度快、外圍電路簡單，容易與采用STM32搭建的平臺進行通信[14-15]。同時，通過實驗檢測，系統具有較高的準確性和穩定性。本文設計的數據采集系統在精度和采集速度方面，可以滿足大多數工業控制領域對數據采集、離線檢測和儀器儀表數據采集的需要，具有非常好的推廣前景。