基于CH375的智能數(shù)據(jù)采集卡

0 引言
數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，在測(cè)量、制造、自動(dòng)控制等場(chǎng)合都需要高質(zhì)量的信號(hào)采集環(huán)節(jié)，由于ADC技術(shù)和微控制器技術(shù)的相對(duì)成熟，基于PCI，ISA等接口的數(shù)據(jù)采集卡被廣泛地應(yīng)用在眾多科研和工控領(lǐng)域。在測(cè)試技術(shù)日益變革的今天，測(cè)試任務(wù)更加復(fù)雜多變，需要采集和處理的信息量更加冗長(zhǎng)，同時(shí)要求測(cè)試環(huán)節(jié)與計(jì)算機(jī)的接口更加無(wú)縫化和標(biāo)準(zhǔn)化，基于虛擬儀器技術(shù)(Virtual Instruments)和高速USB 2．O接口的數(shù)據(jù)采集有著更為廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)，是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。
以運(yùn)算速度更快，位數(shù)更寬，資源更為豐富的ARM處理器作為控制核心，配合USB2．0數(shù)據(jù)傳輸和靈活的上位機(jī)軟件，新一代的數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)不再局限于單一的板卡形式，可以通過(guò)連接線獨(dú)立于計(jì)算機(jī)之外，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需求，滿(mǎn)足高精度、高速率、多功能的測(cè)試指標(biāo)。同時(shí)由于采用了高性能的ARM處理器，控制程序容量加大，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的獨(dú)立化、智能化、多樣化，擺脫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)運(yùn)算能力的依賴(lài)，從而開(kāi)發(fā)出全新的智能數(shù)據(jù)采集卡。

l 系統(tǒng)原理及框圖
整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前置調(diào)理送到AD7685進(jìn)行采樣，由Atmega48的SPI驅(qū)動(dòng)AD7685，采集到的雙字節(jié)(16 b)數(shù)據(jù)由Atmega48并口，分兩次傳送給ARM ADuC7026核心。當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡工作于聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)，由PC上位機(jī)軟件設(shè)置采樣頻率和通道工作模式，經(jīng)過(guò)處理通過(guò)USB控制芯片CH375送數(shù)據(jù)到PC端；當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡工作于離線模式時(shí)，無(wú)需PC上位機(jī)干預(yù)，數(shù)據(jù)采集卡按照預(yù)先設(shè)定的采樣頻率和工作模式進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過(guò)USB控制芯片CH375送數(shù)據(jù)到U盤(pán)端。系統(tǒng)采用±9 V，+5 V，+3．3 V以及模擬地?cái)?shù)字地，并由DC／DC模塊產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)良好的LC濾波為各個(gè)電路單元提供電力。人機(jī)接口(HMI)采用簡(jiǎn)潔的雙按鍵和LED指示，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集卡工作模式的選擇和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。

2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 AD(、接口和信號(hào)調(diào)理電路
為了滿(mǎn)足較高的采集精度和采樣速率，該設(shè)計(jì)選擇AD7685作為模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器件。AD7685是一款16位、串行輸出、250．KSPS、電荷再分配、逐次逼近型(PulSAR)ADC。ADC與處理器采用串行外圍設(shè)備接口(SPI)接口進(jìn)行連接，為了保證ADC的精度，采用高速光耦6N137隔離式驅(qū)動(dòng)電路來(lái)隔離處理器SPI總線上的串?dāng)_。
前置調(diào)理電路信號(hào)的流向參見(jiàn)圖1系統(tǒng)組成框圖。設(shè)計(jì)中，采用模擬開(kāi)關(guān)ADGl024對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行切換，并通過(guò)可編程增益放大器(PGA)AD8251進(jìn)行處理，通過(guò)增益為O．2的電平轉(zhuǎn)換16位ADC驅(qū)動(dòng)器AD8275，把±5 V的信號(hào)轉(zhuǎn)換成O．25～2．25 V的信號(hào)，極大地?cái)U(kuò)展了該數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量范圍，而簡(jiǎn)化了前置調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，其電壓計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)前置調(diào)理電路使得不同量程范圍的輸入信號(hào)放大或衰減到O．25～2．5 V內(nèi)，最大限度地利用ADC量程，使得采集系統(tǒng)的4個(gè)輸入通道可以有單通道、雙通道、四通道3種工作模式，且每個(gè)通道皆可以設(shè)置為任意量程。前置通道的相應(yīng)配置由處理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。