【文章內(nèi)容簡介】 ：傳感器輸入的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理（包括隔離、變換、放大、濾波等各種處理）以滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對輸入電平和信號質(zhì)量的要求，然后通過多路開關(guān)進(jìn)行信號選擇，選通的信號由高性能高速電壓反饋放大器AD8021的進(jìn)一步的處理獲得更精確，精度更高的模擬信號，在微處理器的控制下模擬信號通過16位逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7663的轉(zhuǎn)換處理存入數(shù)據(jù)緩存，進(jìn)一步通過S3C44B0X處理器的控制的顯示、鍵盤模塊實現(xiàn)人機(jī)交換功能。同時多路開關(guān)的選擇與控制有微處理器控制。軟件部分的設(shè)計分為兩個部分，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)程序處理兩個部分。軟件設(shè)計共包括五部分：通道選擇，數(shù)據(jù)采集處理，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制。系統(tǒng)各模塊功能概述：(1) 多路開關(guān)及信號調(diào)理模塊模擬多路開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要部分，通常在多路被測信號共用一路A/D轉(zhuǎn)換器的采集系統(tǒng)中用來把多路信號有條理的傳送到A/D轉(zhuǎn)換器中去，以完成多路信號的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用的是8通道模擬多路復(fù)用器MAX308EPE實現(xiàn)8路模擬信號的采集。信號調(diào)理電路主要基于AD623與MAX291芯片的自行設(shè)計電路。信號調(diào)理電路主要用來對傳感器輸入的信號進(jìn)行隔離、變換、放大、濾波等等各種處理，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，同時大大的簡化了信號調(diào)理電路的設(shè)計，簡化了外圍電路。多開關(guān)由微處理器S3C44B0X進(jìn)行控制選擇。(2) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊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(zhǔn)電壓源ADR421提供基準(zhǔn)電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7663。 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(jìn)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。(3) 存儲模塊傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸率較低，數(shù)據(jù)量小，一般可以完成實時分析和處理，所以存儲問題不突出。但高數(shù)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率很高并且數(shù)據(jù)量很大，采集速度達(dá)到一定的限度就無法進(jìn)行實時分析和處理，所以合適的存儲器顯得很有必要。本設(shè)計采用的是SST39VF160芯片。它具有成本低和密度大的優(yōu)點(diǎn)，能很好的完成本系統(tǒng)的存儲要求，把通過內(nèi)部AD7663模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)通信端口送入計算機(jī)進(jìn)行下一步處理。(4) 鍵盤模塊鍵盤掃描過程就是有規(guī)律的時間間隔查看鍵盤矩陣，以確定是否有鍵被按下。一旦處理器判定有一個鍵被按下，鍵盤掃描程序就會濾掉抖動，然后再判定是哪個鍵被按下。每個鍵被分配一個稱為掃描碼的唯一標(biāo)示符，應(yīng)用程序利用該掃描碼來判斷應(yīng)按下了什么鍵。本設(shè)計就是采用的是44矩陣鍵盤，完成人機(jī)交換的鍵盤控制。(5) 顯示模塊S3C44B0X內(nèi)部有一個LCD控制器，只需要在外部接一個液晶驅(qū)動模塊就可以具有顯示功能了。本設(shè)計設(shè)置了LCD液晶顯示驅(qū)動模塊與S3C44B0X的連接模式，包括接口方式，寄存器的編程。本模塊達(dá)到了微處理器與顯示器的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了顯示的功能。本設(shè)計主要有這五個模塊組成，他們在一起共同組成了本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，同時還有高速高精度的性能。軟件設(shè)計是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件控制部分，它們共同構(gòu)成了高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實現(xiàn)了設(shè)計要求[7]。 11第3章 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。本章詳細(xì)介紹各個模塊的硬件電路以及實現(xiàn)的原理和過程。另外還有一些輔助的電路設(shè)計，例如：電源設(shè)計，時鐘電路設(shè)計等。 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(jìn)行調(diào)理。信號調(diào)理電路用來對傳感器輸入的信號進(jìn)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(diǎn)漂移達(dá)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(zhǔn)電源。它的轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗底、采樣速率高達(dá)308 kb/s點(diǎn)，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。其選擇值如表31示。EN是使能表31 通道選擇值A(chǔ)2A1A0EN通道A2A1A0EN通道0001110015001121011601013110170111411118端，高電平信號有效。通道值的選擇與A0，A1，A2的邏輯值有關(guān)，如表31示。當(dāng)系統(tǒng)工作時，A0、AA2三個端子的邏輯值由處理器控制，EN為高電平，實現(xiàn)了控制芯片MAX308的目的。 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(zhǔn)電壓源ADR421提供基準(zhǔn)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(dāng)今的高速低噪聲運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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。 基準(zhǔn)電壓源ADR421高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要精準(zhǔn)可靠的基準(zhǔn)電壓，ADR421是基于XFET技術(shù)的基準(zhǔn)電壓源，具有極高的精度和極低的噪聲，電路圖如圖34示。圖34 基準(zhǔn)電壓源ADR421 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(biāo)，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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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(fù)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(jìn)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，總線讀信號nOE接AD7663的/RD。此外，S3C44B0X通過兩個I/O（nCAS0連至/CNVST，GPG3連至BUSY）來控制AD7663的A/D轉(zhuǎn)換過程。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(jìn)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)換接口電路如圖36所示。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7663介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7663的主要特點(diǎn)如下：(1) 16位的采樣保持功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；(2) 250kHz的采樣速率，信噪比達(dá)到90dB；(3) 多種信號輸入范圍：0~、0~5V、0~10V、177。、177。5V、177。10V。(4) 5V的單模擬電源供電；(5) 提供串行接口、并行接口兩種輸。(6) 低功耗設(shè)計，典型功耗為75mW。AD7663的轉(zhuǎn)換過程可分為三個階段：轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備階段、模數(shù)轉(zhuǎn)換階段、轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出階段，其轉(zhuǎn)換時序如圖37所示。具體過程如下：首先將CS置低，然后在CNVST端輸入脈沖信號，AD7663就在CNVST的每個脈沖信號的下降沿進(jìn)入啟動一次轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換過程中，BUSY端為高電平出接口；在一次轉(zhuǎn)換完成，BUSY端電平由高到低以指示本次轉(zhuǎn)換完成，并將數(shù)據(jù)輸出在數(shù)據(jù)總線上。此時，只需將RD置低，系統(tǒng)控制器就可以將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)取走，從而最終完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7663的輸入信號VIN范圍已經(jīng)配置成177。5V，其數(shù)據(jù)端口采用高速并行接口D0D15。包括了一個基準(zhǔn)電壓、一個電壓跟隨器及供電電路等。圖中各部分說明如下：，并利用AD8301對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行跟隨處理，減少電壓波動對采樣信號的影響。電壓跟隨器AD8301對輸入的信號進(jìn)行緩沖、隔離，并提供信號的負(fù)載能力。輸入信號范圍選擇：通過選擇對INA、INB、INC和IND的連接方式就可以很方便地選擇信號輸入的范圍，系統(tǒng)選擇了177。輸出接口方式：AD7663提供了串行口輸出和并行口輸出兩種接口方式。為了與數(shù)據(jù)緩沖部分相適應(yīng)和提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理速度，在設(shè)計時選擇了并行輸出方式。供電電路：AD7663是5V的單電源供電；另外，為兼容不同器件的電平標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)還提供了+5V或+[10]。圖37 AD7663轉(zhuǎn)換時序圖 存儲模塊設(shè)計 存儲模塊電路設(shè)計傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸速率比較低