【正文】 DC。為滿足各種不同的檢測(cè)和控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)A6=1時(shí)，ADG506停止工作，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。當(dāng)A6=1時(shí)，ADG506開始工作，隨著AAA3和A4的變化，16個(gè)通道輪流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 AD0506電壓范圍寬、功耗低、泄漏小。作為多路選擇開關(guān)，需要多通道快速循環(huán)采集。另外根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，還要考慮開關(guān)的數(shù)量、種類(幾選一、邏輯控制等)。泄漏電流指開關(guān)斷開時(shí)的泄漏電流。希望導(dǎo)通電阻盡量小。導(dǎo)通電阻理想的多路開關(guān)其導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，斷開電阻應(yīng)為無(wú)窮大，但是實(shí)際中的模擬開關(guān)無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求。在設(shè)計(jì)中往往要用到模擬開關(guān)，對(duì)于不同的用途需要選擇不同的模擬開關(guān)。在較低頻段上（f10MHz）的集成模擬電子開關(guān)，通常采用CMOS工藝制成；而在較高頻段上（f10MHz）則采用雙極型晶體管工藝技術(shù)。集成模擬電子開關(guān)的體積小，切換速率快，無(wú)抖動(dòng)，耗電小，工作可靠，容易控制。多路開關(guān)有機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)和半導(dǎo)體模擬開關(guān)。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)物理量通常是幾個(gè)或幾十個(gè)。74HC14 是施密特輸入反相器芯片, 輸入電平從低到高的翻轉(zhuǎn)電平高于從高到低的翻轉(zhuǎn)電平, 使輸入緩慢變化或不太規(guī)則變化的邊沿整形成陡峭的邊沿. 施密特輸入只是使得上跳沿和下降沿變得比原始輸入信號(hào)的上升和下降更加陡峭一些，也就是在數(shù)字電路起整形作用。 開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路采用TTL三態(tài)門緩沖器，本設(shè)計(jì)采用74HC14，它的驅(qū)動(dòng)能力要高于一般的TTL電路。如果R72選的太大，則輸出電壓帶動(dòng)拉電流負(fù)載的能力減弱，光敏三極管的暗電流也會(huì)對(duì)輸出高電平造成不利影響。R72的取值要保證輸出的高、低電平要求。所以光電耦合器件兼有反相及電平轉(zhuǎn)換的作用。 開關(guān)量隔離電路 ：當(dāng)輸入為低電平時(shí)，流過(guò)發(fā)光二極管的電流為零，光敏三極管截止，輸出為高電平。無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可靠性高。發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，發(fā)光二極管的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，光敏三極管接受光信號(hào)再將它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。開關(guān)量隔離的目的在于直接電氣聯(lián)系，以防地電位差、外界電磁場(chǎng)等干擾因素。 調(diào)壓電路 開關(guān)量采集通道的設(shè)計(jì) 開關(guān)信號(hào)分為有源和無(wú)源兩種，開關(guān)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)隔離和驅(qū)動(dòng)才能與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接。下面是一個(gè)調(diào)壓電路:，起到了調(diào)壓的作用。 數(shù)字信號(hào)采集通道的設(shè)計(jì)1路數(shù)字信號(hào)，由于輸入是TTL電平信號(hào)或低電平0V、高電平12V的脈沖信號(hào)。LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。：緩沖器模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器64路模擬信號(hào)圖 模擬信號(hào)采集通道圖在本系統(tǒng)中，模擬輸入信號(hào)的電壓范圍是0～5V。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) ：模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)器接口電路PC機(jī)電壓跟隨器64路模擬信號(hào)FPGA中心控制電路1路數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換8路開關(guān)信號(hào)隔離電路驅(qū)動(dòng)電路圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖 模擬信號(hào)采集通道的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)常常需要多通道同時(shí)采集。本課題采用并口傳輸方式。前者使傳輸數(shù)據(jù)的各位同時(shí)在總線上傳輸，后者則使數(shù)據(jù)一位一位的傳輸。主要完成A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘選取、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算以及相應(yīng)的控制邏輯、實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信等控制任務(wù)。主控制模塊由FPGA及其外圍電路組成。電路的整個(gè)時(shí)序由邏輯控制模塊協(xié)調(diào)控制。模擬信號(hào)的采集電路通常由跟隨器、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖器等部分組成。 模擬量采集模塊數(shù)字量采集模塊開關(guān)量采集模塊中心控制模塊存儲(chǔ)器接口電路PC機(jī)圖 整體設(shè)計(jì)方案整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)器模塊、中心控制模塊、接口電路以及其他的外圍輔助電路組成。 3．一路數(shù)字脈沖信號(hào)，信號(hào)形式為TTL電平信號(hào)或低電平0V、高電平12V的脈沖信號(hào)。本課題的主要目的就是，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的有這么幾類采集系統(tǒng)，ISA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。國(guó)外很多公司與廠商都投入巨資進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產(chǎn)銷售，其中比較著名的有NEFF、IOTECH、NI、HP、TEK、ZONIC和VMIC等。特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化可以更好地協(xié)調(diào)工作，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，勢(shì)必推動(dòng)數(shù)據(jù)采集在更加廣闊的領(lǐng)域應(yīng)用[3]。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)自動(dòng)試系統(tǒng)、智能儀器儀表、遙感遙測(cè)、通訊設(shè)備、機(jī)器人、高檔家電等方面。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。具體應(yīng)用如水、電、煤氣調(diào)度SCADA系統(tǒng)，電力變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等。 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景近幾年，Internet網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，各式各樣的網(wǎng)概念個(gè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如電子商務(wù)（B2B、B2C等）、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（P2P）、Net、移動(dòng)電子商務(wù)、無(wú)所不在的電子計(jì)算等等，他們改變著人們的生活和工作，同時(shí)也深刻的影響著工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種采集、控制、監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。目前，數(shù)據(jù)采集測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在許多重大武器型號(hào)的研究、研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收和使用中得到成功應(yīng)用，并取得了一系列重要科研成果。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量、采集和控制是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。一個(gè)大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、分析和顯示等。與此同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。1 緒論 課題的研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)革命將把人類由工業(yè)化社會(huì)推進(jìn)到信息化社 儲(chǔ)為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)采集測(cè)試技術(shù)，已形成了一門專門的技術(shù)科學(xué)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說(shuō)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需要的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，包括數(shù)據(jù)采集記錄硬件和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理軟件；一般情況下，將信息量化采集后先存入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等任務(wù)執(zhí)行完后再進(jìn)行事后的數(shù)據(jù)讀取和分析；數(shù)據(jù)采集記錄硬件部分在工作完成后進(jìn)行回收，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀[2]。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展離不開傳感器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。數(shù)據(jù)采集幾乎無(wú)孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。在航空、航天、機(jī)械、電子等多個(gè)領(lǐng)域，解決了過(guò)去無(wú)法解決的重大測(cè)試難題，顯示出了突出的優(yōu)越性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Date Acquisition System,簡(jiǎn)稱DAS）目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域存在大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)支持著工業(yè)領(lǐng)域，如電力、軍事、通信等各種生產(chǎn)的正常運(yùn)行。在這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中訪問(wèn)裝置數(shù)據(jù)源是必須的功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的使用性?？梢灶A(yù)見，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、無(wú)損監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 課題的提出與要求 現(xiàn)在，以PC作為平臺(tái)發(fā)展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集技術(shù)的重要發(fā)展方向。他們不斷推出各種性能優(yōu)異、種類齊全的產(chǎn)品。目前，雖然市場(chǎng)上有很多不同類型的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，但這類產(chǎn)品還存在諸如功能單一、通用性差、操作復(fù)雜，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高等問(wèn)題，這些都限制了其具體應(yīng)用的范圍，這也迫使我們必須從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)一套高速的、較為通用的系統(tǒng)，本課題正是基于這一背景下提出來(lái)的。該系統(tǒng)完成以下幾種信號(hào)的采集：1．六十四路模擬信號(hào)，電壓范圍0～5V2．八路無(wú)源開關(guān)量信號(hào)。 整體設(shè)計(jì)方案根據(jù)被測(cè)參數(shù)要求，提出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)框圖如圖1. 1所示。信號(hào)采集模塊是存儲(chǔ)測(cè)試中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著獲取信息的質(zhì)量和采集測(cè)試的精度。被采集的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后存入存儲(chǔ)器。數(shù)字量和開關(guān)量的采集電路同樣是在主控制模塊的控制下進(jìn)行的。FPGA是控制模塊的核心部分。 微型計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備的接口按照傳輸數(shù)據(jù)方式的不同，可分為并行接口和串行口兩種。并行傳輸又有字并行和字節(jié)并行之分，并行接口一般實(shí)現(xiàn)的是字節(jié)并行傳輸。 存儲(chǔ)器模塊在系統(tǒng)中主要完成數(shù)字信息的存儲(chǔ)。在此情況下，若是在每個(gè)通道都設(shè)置一套模擬傳輸及量化器，是不經(jīng)濟(jì)的，有時(shí)也是不必要的，特別在有限的體積內(nèi)有時(shí)甚至是不可能的，因此，本系統(tǒng)要根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與測(cè)試要求，模擬信號(hào)采集通道采用多路轉(zhuǎn)換器，用最簡(jiǎn)單的硬件電路完成多路信號(hào)的存儲(chǔ)測(cè)試。本課題采用LM324運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，用來(lái)穩(wěn)定輸入信號(hào)，增加AD9221的輸入阻抗。內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。在本系統(tǒng)中，考慮到模擬輸入信號(hào)有64路，所以采用模擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸是很有必要的。所以數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)過(guò)電平調(diào)整處理，才能夠存入存儲(chǔ)器（，后面會(huì)有介紹）。那么電壓將不改變。造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。在本設(shè)計(jì)中，采用光電耦合器件作為隔離器件，74HC14作為驅(qū)動(dòng)器件 開關(guān)量隔離電路的設(shè)計(jì) 光電耦合器件是以光為媒介傳輸信號(hào)的電路。 光電耦合器件的特點(diǎn)是：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在電氣上完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)，隔離電壓可達(dá)千伏以上。響應(yīng)速度快，易于TTL電路配合使用。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，電流經(jīng)R71流經(jīng)發(fā)光二極管使其發(fā)光，光信號(hào)的作用于光敏三極管，使其飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。R71為限流電阻，其阻值決定了發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流，此電流一般選為數(shù)毫安。光電耦合器件的一個(gè)重要參數(shù)是電流傳輸比CTR，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，須使R72＞+V/（CTR*輸入電流）才能保證輸出為低電平。因此，需要綜合各方面的因素來(lái)確定R72的阻值。74HC14是六芯片集成電路，內(nèi)部包含六組形式完全相同的反相器，除電源共用外，六組反相器相互獨(dú)立。 開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路 模擬開關(guān)的選擇 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主要器件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。為了降低成本和減小體積，系統(tǒng)中通常使用公共的采樣保持器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換等器件，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)地與這些公用器件接通。機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)中最常用的是干簧繼電器，它的導(dǎo)通電阻小，但切換速度慢。它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻較大，輸入電壓電流容量有限，動(dòng)態(tài)范圍小。集成模擬電子開關(guān)在測(cè)控技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。在選擇時(shí)要考慮以下參數(shù):通道數(shù)量通道數(shù)量對(duì)傳輸?shù)谋粶y(cè)信號(hào)的精度和切換速度有直接的影響，因?yàn)橥ǖ罃?shù)目越多，寄生電容和泄露電流通常也越大，特別是在使用集成模擬開關(guān)時(shí)，雖然只有其中一路導(dǎo)通，但由于其他模擬開關(guān)斷開時(shí)（此時(shí)處于高阻狀態(tài)）仍存在漏電流，從而也要對(duì)導(dǎo)通的那一路開關(guān)產(chǎn)生影響：通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻會(huì)使信號(hào)電壓產(chǎn)生跌落，尤其是和低阻抗器件串聯(lián)使用的時(shí)候，因此需要考慮開關(guān)電阻。開關(guān)時(shí)間由于模擬開關(guān)器件中有導(dǎo)通電阻并有寄生電容，這樣就會(huì)產(chǎn)生一定的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，通常希望器件具有短的開關(guān)時(shí)間。如果信號(hào)源內(nèi)阻很大，傳輸?shù)氖请娏髁?，此時(shí)就更需要考慮它的泄漏電流，一般希望泄漏電流越小越好。切換速度對(duì)于傳輸快速變化的場(chǎng)合，就要求多路開關(guān)的切換速度高，當(dāng)然也要考慮后一段的采樣保持和A/D的速度，從而以最優(yōu)的性價(jià)比來(lái)選取多路開關(guān)的切換速度[4]。本系統(tǒng)選擇了開關(guān)速度比較快、泄漏比較小、16選1的模擬選擇開關(guān)ADG506。其主要的參數(shù)為：低泄漏：20pA(典型值)較低的導(dǎo)通電阻 ：200較高的開關(guān)速度: 導(dǎo)通200ns、 關(guān)閉200ns。AAAAA6由FPGA提供。圖 ADG506在系統(tǒng)中的應(yīng)用 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛用，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。有傳統(tǒng)的并行型、逐次逼近型、積分型，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑一△型和流水線型等，各種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可滿足不同的要求。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四部分組成。增加輸出位數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換所需的大量精密分壓電阻和比較器電路。這類ADC的優(yōu)點(diǎn)是:模數(shù)轉(zhuǎn)換速度高；缺點(diǎn)是分辨率不高，功耗大，成本高。它將采樣輸入信號(hào)與已知電