arm嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計報告高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計-文庫吧
2025-04-28 18:58 本頁面
【正文】 數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制。三．數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計與實現(xiàn)本設(shè)計主要有五個模塊，分別是：多路開關(guān)及信號調(diào)理模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，存儲模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。 多路開關(guān)及信號調(diào)理模塊設(shè)計 信號調(diào)理模塊信號采集系統(tǒng)中，絕大多數(shù)模擬量輸入都帶有大量的噪聲不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中去，需要對信號進行調(diào)理。信號調(diào)理電路用來對傳感器輸入的信號進行隔離，變換，放大，濾波等各種處理，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對輸入電平和信號質(zhì)量的要求。調(diào)理電路如圖31所示。圖31 信號調(diào)理電路AD623是高精度、低噪聲的儀表放大器，R1是輸入限流電阻，R2是增益電阻，調(diào)節(jié)此電阻的值可改變AD623的增益G，算式為G=100/R1（kΩ）+1。MAX291是濾波器，截止頻率其由電容C1決定。若設(shè)為100Hz：fc（kHz）=1000/3C1（pF），計算得C1取值為3300pF。使用中還要注意：MAX291的零點漂移達200mV~400mV，因而可在輸出端串接一個10μF左右的鉭電容，隔去MAX291引入的直流分量[8]。 多路開關(guān)的選擇本系統(tǒng)選用的是8通道的模擬數(shù)據(jù)選擇器MAX308，輸出哪路信號通過總線控制。帶串行接口的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路（ADC），它包含有跟蹤/保持電路的一個低漂移、低噪聲、掩埋式齊納電壓基準電源。它的轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗底、采樣速率高達308 kb/s點，滿量程輸入電壓范圍為177。5V，功耗為210mW?？膳c大多數(shù)流行的數(shù)字信號處理器的串行接口直接接口，該輸入可以接收TTL或CMOS的信號電平，其電路圖如圖32所示。圖32 多路開關(guān)MAX308 IN1~IN8是模擬輸入通道，模擬信號由此輸入。A0~A2是通道選擇信號，其選擇由微處理器S3C44B0X控制。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換是把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別并處理的數(shù)字信號。它的精度與速度如何將影響到系統(tǒng)的現(xiàn)實性和系統(tǒng)的性能。本設(shè)計采用的是，本模塊的設(shè)計目的就是為了實現(xiàn)這功能[9]。 信號驅(qū)動放大器信息本模塊由兩部分組成：信號驅(qū)動放大器AD8021與具有低噪聲、高精度和出色的長期穩(wěn)定特性的基準電壓源ADR421提供基準電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7663。信號驅(qū)動放大器AD8021是一款出眾的高性能，高速電壓反饋放大器，可以用于16bit分辨率系統(tǒng)。AD8021具有低壓噪聲和低電流噪聲，是當今的高速低噪聲運算放大器產(chǎn)品中靜態(tài)電源電流（7mA @ 177。5V）最低的產(chǎn)品。AD8021工作電壓范圍較寬，為177?！?77。12V，也可以采用5V單電源供電，因此非常適合高速低功耗儀器儀表。 mA。與同類放大器相比，AD8021不僅技術(shù)性能出眾，而且價格優(yōu)勢明顯，靜態(tài)電流也低得多。AD8021是一款高速、通用放大器，非常適合各種增益配置，可以用于信號處理鏈路以及控制環(huán)路。AD8021 圖33 信號驅(qū)動AD8021采用標準8引腳SOIC與MSOP封裝，工作溫度范圍為：40176。C～+85176。C 。芯片電路如圖33所示。傳感器輸入的信號通過多路開關(guān)及信號調(diào)理模塊處理后得到比較符合要求的模擬信號，進一步通過信號驅(qū)動放大電路AD8021的處理得到精度較高的、穩(wěn)定的模擬信號，通過分辨率高，采樣速率高，功耗小的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7663的作用，輸出符合要求的數(shù)字信號，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇A/D轉(zhuǎn)換器實際上是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置，其轉(zhuǎn)換工程主要包括采樣、量化、編碼三個步驟。A/D芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個系統(tǒng)的技術(shù)指標，目前市面上A/D轉(zhuǎn)換器的品種較多，每種芯片具有不同的控制方式和應(yīng)用條件。比較常用的ADC按轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)和工作原理主要分為四類：積分型AD轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型、并行比較型ADC、∑Δ轉(zhuǎn)換器。其中，積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz）的能力，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用有用（如熱電偶輸出的量化）。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在 1 個時鐘周期內(nèi)只能完成 1 位轉(zhuǎn)換。N位轉(zhuǎn)換需要N個時鐘周期，故這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率不高，輸入帶寬也較低。它的優(yōu)點是原理簡單，便于實現(xiàn)，不存在延遲問題，適用于中速率而分辨率要求較高的場合。并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器原理直觀，轉(zhuǎn)換速度極快（最高1GHz的采樣速率），常用于數(shù)字通信和高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。缺點是功耗大，制造成本高且易產(chǎn)生離散的、不確定的誤碼輸出?！痞つ?shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率較低，但采樣精度會做得很高，且成本低廉，一般限于對低頻較窄的轉(zhuǎn)換。 圖35 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路對于一般的工業(yè)采集系統(tǒng)在保證精度和速度的條件下，要盡量提高采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求。通常選擇逐次逼近型或并行比較型AD轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)主要有：轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換速率、輸入量程以及轉(zhuǎn)換誤差等,根據(jù)這些參數(shù)本系統(tǒng)中選擇開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的16位并行A/D轉(zhuǎn)換器AD7663。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路如圖35所示。A/，若MAX308輸出的信號直接輸入A/D7663進行A/D轉(zhuǎn)換時，會產(chǎn)生較大的增益誤差。因此，必須用阻抗極低的信號源來驅(qū)動AD7663的輸入端，這里選用了信號驅(qū)動放大器AD8021。為了實現(xiàn)高速高精度數(shù)據(jù)采集與存儲的同步，解決ADC和控制器之間速度匹配問題，保證采集數(shù)據(jù)的完整性，本系統(tǒng)設(shè)計了高速高精度的轉(zhuǎn)換器AD7663和74H273作數(shù)據(jù)采集緩沖器的設(shè)計方案，使數(shù)據(jù)的采集和傳輸速率進行有效的匹配，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集。AD轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)采集的核心，它決定著系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度和速度，本設(shè)計采用的是AD7663模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD7663是一款16位、250KSPS、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電，并提供8位或16位并行口和一個串行口。AD7663具有分辨率高、采樣速率高、功耗小等優(yōu)點，在高速高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖36模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路AD7663負責(zé)實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，它支持串行和并行方式輸出，在本設(shè)計中AD7663與S3C44B0X以16位并行總線的方式連接。S3C44B0X將總線設(shè)備分為8個BANK進行訪問，AD7663掛在BANK3上，因此將BANK3的使能信號nGCS3接到AD7663的片選引腳/CS上，復(fù)位信號nRESET接到AD7663的RESET，總線
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