以太網的遠程控制信號調理系統

引言
在許多物理實驗(核聚變實驗裝置托卡馬克的放電實驗)的數據采集過程中，由于待測信號微弱且測試環境電磁輻射嚴重等因素，在數據采集前端往往需要對信號進行濾波和放大等信號調理操作，以濾除信號噪聲并將待測信號調整到后端數據采集卡的最佳量程范圍，最終提高整個數據采集系統的分辨率。
一般認為在A／D轉換器前加一個增益為2的前置放大電路可使測量分辨率增加1位，增益為4則分辨率將增加2位，以此類推。因此，在數據采集系統前端增加信號調理電路以擴展其動態范圍是必要的。信號調理系統的以太網遠程控制可以實現信號調理系統的統一管理，有效提高實驗效率，并且減少實驗人員進入實驗現場調節調理電路的次數。

1 程控信號調理系統方案設計
設計需求：
①輸入信號電壓幅值(峰-峰值)為100 mV～10 V；
②8個增益檔位分別為0．1、0．5、1、2、5、10、20、50；
③濾波器類型可選，中心頻率和品質因數可遠程控制；
④放大器增益選擇及程控濾波器各項參數均實現以太網遠程控制；
⑤基于Socket設計上位機控制程序；
⑥下位機IP地址、放大器增益、濾波器各項參數通過可視化界面管理。
基于以上設計需求，本系統主要包括以下部分：控制器模塊、程控濾波器模塊、程控放大器模塊和上位機數據采集控制程序。系統以AVR單片機為控制器，實現嵌入式以太網通信、濾波器參數和放大器參數的遠程控制，并將以上各數據存儲在非易失性存儲器中，在系統開機或復位后能恢復關機前設置的參數值。

2 系統硬件設計
如圖1所示，系統硬件電路由控制器電路、程控放大器電路和程控濾波器電路組成?？刂破麟娐穼崿F嵌入式以太網通信、程控濾波器電路和程控放大器電路的參數設置。程控濾波器電路實現濾波器類型的選擇，以及中心頻率和品質因數的設置。程控放大器基本電路實現對輸入信號的增益控制。

2．1 控制器電路
基于AVR單片機的嵌入式控制器電路是整個程控信號調理系統的控制核心，用于接收上位機數據采集控制程序發出的指令，實現對程控放大器放大倍數的設置等操作。該控制器電路在Ethernut 1．3g開源軟硬件嵌入式系統設計方案的基礎上進行了重構，結構如圖2所示。

該電路采用核心芯片AVR單片機ATmega128。ATmega128工作于16 MHz時性能高達16MIPS；內置128 KB系統內可編程Flash和4 KB EEPROM，外擴一片32 KB的SRAM KM62256；與IEEE802．3兼容的10 Mbps以太網控制器RTL8019AS可實現全雙工以太網通信。4 KB的EEPROM可用于保存32路程控放大器的參數，在系統上電或重啟后用于自動恢復掉電前的放大器狀態。LM1086為系統提供1．5 A、+5 V穩壓電源。當手動復位按鈕動作或系統電源電壓低于4．63 V時，MAX825L將向ATmega128發送復位信號，引發系統重新啟動。
控制器通過ATmega128上的I／O端口控制放大電路與濾波電路的參數設置。整個系統的數字地與模擬地采用單點接地設計，以減少控制器電路數字信號的噪聲干擾信號調理電路中的模擬信號。