郭玉霞，李志杰

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，甘肅 天水 741025)

0 引言

數(shù)據(jù)采集作為由模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的手段，是實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)完成各種工作過(guò)程的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)和電子測(cè)量等自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[1]論述了ADS1256的工作原理和使用方法，文獻(xiàn)[2]論述了基于ADS1256設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)要點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]將基于ADS1256的多路高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中。綜述目前數(shù)據(jù)采集裝置存在的主要問(wèn)題是高端數(shù)據(jù)采集裝置以計(jì)算機(jī)板卡為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格偏高，缺乏與單片機(jī)通信的接口，而低端數(shù)據(jù)采集裝置精度較低，接口復(fù)雜，通用性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以高性能多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADS1256為核心、TM32F103C8T6為主控制器，采用了多通道、高精度、高智能化的數(shù)據(jù)采集裝置。由于該數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)用性強(qiáng)、成本低，因此具有較好的推廣前景。

1 數(shù)據(jù)采集裝置整體設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)采集裝置整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。主要由信號(hào)輸入接口、分壓電路、AD轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、單片機(jī)、最小系統(tǒng)外圍電路和輸出接口電路7個(gè)模塊構(gòu)成[4-5]。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)原理

信號(hào)輸入接口完成采集裝置與外部模擬信號(hào)的電氣連接，分壓電路對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓，可以改變測(cè)量的量程，AD轉(zhuǎn)換電路通過(guò)ADS1256完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓電路提供AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)完成AD轉(zhuǎn)換的控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理，以及與上位機(jī)和其他系統(tǒng)的通信控制[6-8]，輸出接口和單片機(jī)一起完成單片機(jī)和其他設(shè)備之間的通信。

2 數(shù)據(jù)采集裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源模塊為裝置各個(gè)電路模塊供電，其電路原理圖如圖2所示。外部5 V電源通過(guò)插座PP接入，通過(guò)ASM1117-5輸出5 V電壓給電源電壓為5 V的器件供電。通過(guò)ASM1117-3.3給TM32F103C8T6內(nèi)核供電。電源電路的核心為2個(gè)ASM1117系列電源芯片。AMS1117是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1 A電流下壓降為1.2 V，具有限流功能和過(guò)熱切斷功能，工作的溫度范圍為-40～125 °C[9]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，最后用磁珠R0連接。

圖2 電源模塊電路原理

2.2 輸入接口和分壓電路設(shè)計(jì)

輸入接口和分壓電路原理圖如圖3所示。工作在單端模式時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量輸入端與模擬地之間的電壓。RI1為輸入保護(hù)電阻，RF1為輸入分壓電阻。可以斷開(kāi)RF1，這時(shí)輸入信號(hào)IN0直接輸入ADS1256，這時(shí)測(cè)量的電壓范圍為0～5 V[10-12]。當(dāng)分壓電阻不斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量電壓的范圍由分壓電阻RF1決定。測(cè)量電壓的最大值為：

式中，VIMAX為輸入電壓的最大值；RI1，RF1為其對(duì)應(yīng)電阻的阻值。當(dāng)工作在雙端模式時(shí)，先將相鄰兩通道的電壓做差，然后輸入到分壓電路。

圖3 輸入接口和分壓電路原理

2.3 參考電壓電路及AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

參考電壓電路及AD轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示，基準(zhǔn)電壓芯片選用ADR4525[13]。ADR4525為高精度、低功耗、低噪聲基準(zhǔn)電壓源，最大初始誤差為±0.02%，并具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。

圖4 AD轉(zhuǎn)換電路原理

該基準(zhǔn)電壓源使用創(chuàng)新的內(nèi)核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度，同時(shí)提供業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。器件的低熱致輸出電壓滯后和低長(zhǎng)期輸出電壓漂移也提高了壽命和溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度，特別適用于16位以上的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[14-16]。

AD轉(zhuǎn)換芯片選用ADS1256。ADS1256是TI公司Burr-Brown產(chǎn)品線推出的微功耗、高精度、8通道、24位△-∑型高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)[17]。該器件提供高達(dá)23 bit的無(wú)噪聲精度、數(shù)據(jù)速率高達(dá)30 ksps(次采樣/s)、0.001 0%非線性特性(最大值)以及眾多的板上外設(shè)(輸入模擬多路開(kāi)關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等)，可為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)完整而高分辨率的量測(cè)解決方案[18]。ADS1256和單片機(jī)之間通過(guò)SPI總線進(jìn)行通信，圖4中，AD-SCLK，AD-DIN，AD-DOUT，AD-CS分別為SPI總線的時(shí)鐘信號(hào)線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線和片選信號(hào)線，AD-DRDY為轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)線，AD-RST為復(fù)位信號(hào)線[19]。

2.4 單片機(jī)和外部接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)及通信電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)及通信電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單片機(jī)選用TM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度為-40～85 °C，總線寬度為32位，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)72 M，具有37個(gè)IO口，160 K片上RAM。通過(guò)分析STM32F103C8T6的資源和開(kāi)發(fā)成本，選用該單片機(jī)具有較高的性價(jià)比[20-21]。單片機(jī)通過(guò)SPI總線讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并對(duì)讀取的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確的電壓值。單片機(jī)以串口形式和其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，串口芯片選用MAX232，與外部系統(tǒng)的硬件連接采用DB9[22]。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖6 AD轉(zhuǎn)換流程

單片機(jī)對(duì)通過(guò)SPI總線讀取的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

為了防止數(shù)據(jù)的抖動(dòng)，連續(xù)讀取20次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波。將所得值轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值。ADS1256的輸出是用24位比特表示的雙極性的輸出，低23位表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的有效值，最高位為符號(hào)位，符號(hào)位為0表示輸入為正，其正的滿量程輸出為7FFFFFh，負(fù)的滿量程輸出為800000h。在量程范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)輸出為正時(shí)，測(cè)量的輸入電壓值和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為：

數(shù)據(jù)輸出為負(fù)時(shí)，測(cè)量的輸入電壓值和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為：

式中，VOUT為被測(cè)量的輸入電壓；VREF為參考電壓，這里為2.5 V；DAD為經(jīng)過(guò)中值濾波的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；h表示16進(jìn)制。最后將所采集電壓值保存或通過(guò)串口輸出。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置的性能，將采集裝置的實(shí)際輸入電壓值與采集裝置輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，原始數(shù)據(jù)如表1所示，表中Vin1～Vin8為8個(gè)輸入通道電壓值，由6位半可編程電源提供，Vout1～Vout8為8個(gè)輸出通道的電壓值，采集裝置的輸出值是通過(guò)串口調(diào)試軟件得到。表2是對(duì)8個(gè)通道輸入值與輸出測(cè)量值之間的誤差分析，相對(duì)誤差值為輸出測(cè)量值與輸入值之差的絕對(duì)值，除以輸入值，表中給出了不同輸入的相對(duì)誤差和每個(gè)通道誤差的平均值。從表2可以看出，8個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的平均相對(duì)誤差最大值為0.004 498，即0.449 8%，為第一通道平均相對(duì)誤差值。

表 1 測(cè)試原始數(shù)據(jù)

輸入輸出Vin1Vin2Vin3Vin4Vin5Vin6Vin7Vin8Vout1Vout2Vout3Vout4Vout5Vout6Vout7Vout80.5000.5000.5000.5000.5000.5000.5000.5000.5040.4980.4950.5040.4980.4990.4970.4950.3000.3000.3000.3000.3000.3000.3000.3000.3100.2490.3030.3010.2980.3000.3020.2991.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0020.9480.9950.9971.0050.9980.9960.9971.5001.5001.5001.5001.5001.5001.5001.5001.5081.4541.4961.5021.4981.5031.5001.5032.0002.0002.0002.0002.0002.0002.0002.0002.0021.9531.9952.0002.0031.9982.0012.0012.3002.3002.3002.3002.3002.3002.3002.3002.3042.2502.3032.3022.3042.3002.3012.296

表 2 相對(duì)誤差分析

輸入通道123456780.50.008 106 0.003 741 0.009 110 0.008 730 0.003 355 0.001 590 0.006 559 0.009 482 0.30.031 743 0.169 417 0.009 151 0.003 890 0.005 242 0.000 821 0.006 697 0.004 185 1.00.002 053 0.052 073 0.004 804 0.003 099 0.004 649 0.001 555 0.004 064 0.003 300 1.50.005 092 0.030 388 0.002 470 0.001 176 0.001 332 0.002 220 0.000 263 0.002 148 1.80.004 091 0.028 894 0.002 763 0.000 670 0.000 834 0.001 242 0.000 424 0.002 715 2.00.001 233 0.023 466 0.002 339 0.000 129 0.001 530 0.000 917 0.000 318 0.000 346 2.30.001 611 0.021 751 0.001 352 0.000 750 0.001 557 0.000 152 0.000 432 0.001 551 均值0.004 498 0.031 017 0.002 790 0.001 831 0.001 600 0.000 948 0.001 769 0.002 120

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置充分考慮了性價(jià)比和使用的方便程度，將高精度AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1256與當(dāng)前市場(chǎng)占有率最高的嵌入式單片機(jī)STM32相結(jié)合，極大地降低了采集裝置的成本，同時(shí)具有較高的精度和穩(wěn)定性。該數(shù)據(jù)采集裝置的精度和采集速度可以滿足絕大部分工業(yè)控制數(shù)據(jù)采集、在線檢測(cè)、儀器儀表數(shù)據(jù)采集的需求，具有較好的推廣前景。