【正文】 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計說明書多路模擬信號采集電路畢業(yè)論文1 緒論 課題來源及研究的目的和意義近年來，數(shù)據(jù)采集與處理的新技術(shù)、新方法，直接或間接地引發(fā)其革新和變化，實(shí)時監(jiān)控(遠(yuǎn)程監(jiān)控)與仿真技術(shù)(包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、微機(jī)芯片數(shù)據(jù)、可編程控制器PLC、現(xiàn)場總線處理、流程控制、曲線與動畫顯示、自動故障診斷與報表輸出等)把數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)提高到一個嶄新的水平?！皵?shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的過程。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從嚴(yán)格意義上說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是用計算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲、處理、分析計算，以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。總之，不論在哪個應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)的采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大。 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，具體地說，就是傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲存或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機(jī)控制系統(tǒng)用來進(jìn)行某些物理量的控制。 　　 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時采集、實(shí)時處理和實(shí)時控制的要求[1]。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array)的出現(xiàn)是超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是當(dāng)代電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的硬件描述語言的可修改性、高集成性、高速低功耗、開發(fā)周期短、硬件與軟件并行性決定了它的崛起是必然的趨勢?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA器件是Xilinx公司1985年首家推出的，它是一種新型的高密度PLD，采用CMOSSRAM工藝制作，其內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編程邏輯模塊(CLB)組成，邏輯塊之間可以靈活的相互連接。CLB的功能很強(qiáng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯函數(shù)，還可配置成RAM等復(fù)雜的形式。配置數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)的SRAM或者熔絲圖上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要從芯片外部加載配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)可以存儲在片外的EPROM或者計算機(jī)上，設(shè)計人員可以控制加載過程，在現(xiàn)場修改器件的邏輯功能，即所謂現(xiàn)場可編程[2][3]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究現(xiàn)狀隨著數(shù)字化進(jìn)程的加快，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等各個領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集提出了更高的要求。數(shù)據(jù)采集作為信息處理系統(tǒng)的最前端，從廣義上講，主要包括以下幾個方面：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的初步處理等，并且一般需要通過PC接口總線將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。簡言之，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)就是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對其進(jìn)行處理，為進(jìn)一步操作做準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在雷達(dá)系統(tǒng)、通信設(shè)備、水聲探測、遙感探測、語音處理、智能儀器設(shè)備、工業(yè)自動化系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和提高了工作效率。隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化水平的不斷發(fā)展，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心的設(shè)備迅速在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，且對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)追求的主要目標(biāo)有兩個：一是精度高，二是速度快，一般是在保證精度的前提下提高速度；提高數(shù)據(jù)采集的速度主要是提高了工作效率和擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用范圍。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般從數(shù)字信號處理器(DSP)和總線技術(shù)兩個方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)以提高精度和速度。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能DSP芯片層出不窮，新型高速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件不斷涌現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口方式也己經(jīng)拓展到ISA、PCI、USB、EIEEl394及VXI、PXI等多種總線接口，USB總線由于具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2．0標(biāo)準(zhǔn)有著高達(dá)480Mbs的理論傳輸速率(USB3．0標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)發(fā)布)，已經(jīng)逐漸成為計算機(jī)接口的主流。目前形成了以插卡式和便攜式為主的兩種產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可分為基于板卡的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。集中式的基本方式是采用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將一塊基于ISA或PCI的板卡插入PC機(jī)上，把外部信號引至計算機(jī)的端口然后接入數(shù)據(jù)采集卡，通過定制的軟件就可以進(jìn)行采集，其顯著優(yōu)點(diǎn)是成本較低、速度塊。但是，采用板卡安裝麻煩、價格昂貴、易受干擾，同時由于計算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。分布式的基本方式之一是智能采集模塊記錄信號，通過一些通用總線如RS232，RS485進(jìn)行傳送，或者采用基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集模塊，流行的現(xiàn)場總線如CAN總線等，通過現(xiàn)場總線將智能采集模塊引入計算機(jī)，上位機(jī)通過定制的軟件和智能模塊通信。它的優(yōu)點(diǎn)是易維護(hù)、布線簡單、可靠性高；缺點(diǎn)是由于接口總線的限制使得采樣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著接口總線的進(jìn)步，分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢[4]?！≌n題的提出與任務(wù)要求數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)目前在環(huán)境感知，圖像處理、語音識別、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它用于實(shí)時、高速地采集和記錄應(yīng)用領(lǐng)域的各項(xiàng)參數(shù)信息。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深入，信號分辨率、采樣率，數(shù)據(jù)存儲容量，存儲時間等要求都大幅提升，設(shè)備可靠性和實(shí)時性要求也越來越高，因此高精度、高可靠性的大容量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)就顯得尤為重要，而且抗沖擊干擾能力、可擴(kuò)展性及可移植性等方面因素都必須嚴(yán)格考慮處理[5][6]。雖然目前市場上有很多不同類型的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品還存在著諸如功能單一，通用性差，操作復(fù)雜，不能適用于差別很大的環(huán)境等問題，這些都嚴(yán)重的限制了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，這迫使我們必須從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計一套速度高，采集精度高，應(yīng)用范圍廣的素具采集系統(tǒng)，本課題正是為實(shí)現(xiàn)這一目的而提出。本課題的主要目的就是：對16路模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過FPGA將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存儲到FLASH存儲器中。并能通過FPGA讀出FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)。技術(shù)要求如下：（1）信號采集電平范圍：05VDC；（2）采樣位數(shù)：16bits（3）每通道采樣率：40KHz；（4）能夠完成FLASH的讀寫、擦除操作。2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計根據(jù)電路參數(shù)及其各項(xiàng)要求，提出整體設(shè)計方案。多路模擬量數(shù)據(jù)采集模塊FLASH存儲模塊FPGA中心控制模塊 整體設(shè)計方案以上系統(tǒng)由多路模擬量數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA中心控制模塊、flash存儲模塊以及其它外圍輔助電路組成。多路模擬量數(shù)據(jù)采集模塊是此設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，決定著獲取信號的質(zhì)量和采集測試的精度。模擬信號的采集電路通常由模擬多路開關(guān)、電壓跟隨器、A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成。其中模擬多路開關(guān)的作用是切換各路輸入信號，使得不同通道的模擬量被有序地送入A/D轉(zhuǎn)換器；電壓跟隨器用來對所采集的模擬量進(jìn)行信號調(diào)理，從而獲得更準(zhǔn)確的被測量；A/D轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)性能優(yōu)異與否的關(guān)鍵，它的性能將直接影響整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。FPGA中心控制模塊由FPGA及外圍電路組成。FPGA是控制模塊的核心部分，主要完成通道選擇、A/D轉(zhuǎn)換器的時序控制、數(shù)據(jù)的存儲以及相應(yīng)的控制邏輯等控制任務(wù)。FLASH存儲器模塊在系統(tǒng)中主要完成數(shù)字信息的存儲。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，F(xiàn)PGA給存儲模塊一個寫信號，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入FLASH存儲器中。根據(jù)整體設(shè)計方案，將各個模塊細(xì)化，調(diào)理電路16路模擬信號A/D轉(zhuǎn)換多路模擬開關(guān)FIFO外部數(shù)據(jù)緩沖FPGA主控單元USB單片機(jī)flash上位機(jī) 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖總結(jié)如下：模擬信號輸入端的輸入信號為需要采集的模擬信號，一般由傳感器提供；信號調(diào)理電路的主要作用是濾掉干擾，使傳感器輸入的被測模擬量更加準(zhǔn)確；A/D轉(zhuǎn)換使模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目的；FPGA提供整個系統(tǒng)的控制信號，讓整個系統(tǒng)正常有序的工作；FIFO用來提供對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)工作可靠與穩(wěn)定主要取決于信號采集、信號調(diào)理，數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)存儲四大模塊設(shè)計。數(shù)據(jù)采集與存儲控制模塊均采用Xilinx 公司的SpartanⅡ系列FPGA 中的XC2S100實(shí)現(xiàn)。它作為控制器具有時鐘頻率高，編程配置靈活，內(nèi)部延時小，運(yùn)行速度快，I/O 端口多，配以IP 軟核，本身集采樣控制、處理、緩存、傳輸控制、通信于一個芯片內(nèi)，各方面均滿足系統(tǒng)對實(shí)時性和同步性的要求[7]。 信號采集及調(diào)理模塊信號采集模塊FPGA 對其外圍設(shè)備的控制全部通過I/O 端口進(jìn)行控制，極大地提高了系統(tǒng)的采集速度。： 前端輸入電路模擬信號主要測量的是沖擊量、振動量、緩變（溫度、壓力等）和系統(tǒng)電量參數(shù)信息,并且留有備用采集通道。沖擊、振動、緩變模擬量接入由單電源軌至軌運(yùn)算放大器OPA4340 構(gòu)成的電壓跟隨器，16 路模擬量數(shù)據(jù)通過信號放大調(diào)理電路接入一片16 路高速模擬選擇開關(guān)ADG706，通過中控FPGA 選通將所選模擬量輸入16 位高速逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8402，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；ADG706 模擬開關(guān)的切換時間42ns，16 路切換頻率至少能可靠滿足采樣頻率大于400 KHz 的模擬量信號。ADS8402 采樣轉(zhuǎn)換時間僅需610ns，轉(zhuǎn)換時鐘依靠內(nèi)部產(chǎn)生，避免因數(shù)字接口以及參考時鐘和外部轉(zhuǎn)換器之間產(chǎn)生的交界面抖動。數(shù)字接口提供8 位和16 位兩種選擇增加了與控制器連接的靈活性，不受管腳資源的限制。本設(shè)計使用ADS8402 內(nèi)部參考電壓Vref= 作為基準(zhǔn)，但是16 路模擬量輸出電壓范圍均為0～5V；超過了ADC 的輸入電壓量程，需要線性運(yùn)算電路變換由模擬開關(guān)ADG706 輸出的信號幅度以適合ADS8402 的輸入信號范圍[8][9][10]。從傳感器輸入的所有模擬信號范圍都是0—5 V，輸入阻抗要求大于1 M歐，由于電源模塊的輸出電壓只有5 V，所以為了保證信號的完整性，設(shè)計中選用了具有軌對軌輸出特性的運(yùn)算放大器0PA4340，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆謮杭白杩蛊ヅ涮幚?，對輸出也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臑V波處理。 單路信號調(diào)理電路 通道選擇電路設(shè)計中要求采集16路模擬信號，為降低系統(tǒng)成本和減小體積，采用公共A/D轉(zhuǎn)換電路，用1片16選1的模擬多路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)通道的選取。 模擬多路開關(guān)的選擇選擇多路開關(guān)時，通常考慮以下幾個參數(shù)：（1）通道數(shù)量：通道數(shù)量對切換開關(guān)傳輸被測信號的精度和切換速度有直接的影響，因?yàn)橥ǖ罃?shù)目越多，寄生電容和泄漏電流通常也越大。平常使用的模擬開關(guān)，在選通其中一路時，其它各路并沒有真正斷開，只是處于高阻狀態(tài)，仍存在漏電流，對導(dǎo)通的信號產(chǎn)生影響；通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。（2）導(dǎo)通電阻：理想的多路開關(guān)起導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，斷開電阻應(yīng)為無窮大，但現(xiàn)實(shí)中的模擬開關(guān)達(dá)不到這一要求。模擬開關(guān)的導(dǎo)體電阻會使信號電壓產(chǎn)生跌落，尤其是和低阻抗器件串聯(lián)使用的時候壓降會相對較大。所以在選擇開關(guān)時應(yīng)考慮導(dǎo)通電阻，尤其是在使用低阻抗器件的時候。（3）開關(guān)時間：由于模