ADS8344和FPGA的高精度數據采集前端

　　數據采集在工業測試系統中是一個很重要的環節，其精確性和可靠性是至關重要的。本文闡述的數據采集系統精度高達16位，能夠對8個外部模擬通道進行A/D采樣，最大模擬輸入信號范圍達到-15～+15V。該系統具有限幅保護功能，程序編寫簡便，能夠實現對遠端數據的采集和傳輸。

　　1 系統硬件設計

　　數據采集系統框圖如圖1所示。

　　圖中，A/D轉換器采用了TI公司的16位逐次逼近型ADS8344;FPGA主要用于控制ADC的啟動、停止和查詢ADC狀態等，同時對數據進行高速數據緩沖、異步數據編解碼、無線信道編解碼等數據處理。

　　1.1 主要芯片ADS8344

　　ADS8344是一款高性能、低功耗的ADC，采用2.7～5V單電源供電，最大采樣頻率為100 kHz，信噪比達84dB，自帶采樣/保持電路，包含8個單端模擬輸入通道(CH0～CH7)，也可合成為4個差分輸入。參考電壓VRFF的范圍為500mV～VCC，相應的每個模擬通道的輸入為0V～VREF，DS8344是通過三線SPI接口與FPGA相互通信的，數據從DIN引腳輸入到8位只寫控制寄存器。當FPGA讀取完ADC上次轉換

　　結果時，下一個轉換通道的控制字節就寫到了DIN引腳。一個完整的控制字節需要8個DCLK時鐘。寫完控制字節的同時，模/數轉換結束，模/數轉換狀態輸出引腳BUSY產生一下降沿，數據輸出有效，FPGA開始接收由DCUT輸出的轉換結果。16位串行數據需要16個DCLK時鐘，在接收串行數據的LSB位時，下一個通道的控制字開始輸入到A/D芯片。ADS8344完成一次完整的數據采樣保持、轉換和輸出共需要25個DCLK時鐘。ADS8344串行接口時序如圖2所示。

　　1.2 信號調理電路

　　數據采集前端的調理電路如圖3所示。2個運放選用的是TI公司的精密儀表放大器OPA277。由于輸入模擬電壓信號為雙極性，范圍為一15～+5 V，而ADX8344模擬輸入通道為O V～VREF(本系統是+5 V)，所以必須對輸入信號進行單極性轉換。

　　其傳遞函數為：

　　式中：VOUT為轉換后的單極性電壓信號;VREF由電壓基準源提供，在圖中是+2.5V;VIN為輸入的一15～+15 V電壓信號。當R3=6R1、R4=6R2時，傳遞函數可化簡為：

　　可見，傳遞函數是線性函數。只要正確選擇精確的電阻值，一15～+15 V電壓信號可線性轉換為O～+5V，從而保證了系統的精度。

　　1.3 無線通道

　　本系統是按用戶的要求設計開發的，其中，無線通道是由用戶提供的。本系統采用的無線通道是點對點傳輸，傳輸距離最遠達40 km，傳輸速率最高達11 Mbps，對標準異步串口數據是透明傳輸。A/D電路輸出的數據經FPGA高速數據緩沖、異步數據編碼、無線信道編碼等數據處理后，送到無線通道進行無線傳輸。遠端的無線接收機接收到數據后送到FPGA進行無線信道解碼、異步數據解碼等處理，恢復A/D采樣數據，然后或者送到D/A電路進行模擬量輸出，或者重新進行異步數據編碼送到PC機，由PC機對數據做進一步的分析處理。

　　2 軟件設計

　　本系統的軟件設計包括了FPGA硬件描述語言編程和PC機應用程序。

　　2.1 FPGA編程

　　FPGA編程使用VHDL語言，主要包括對ADS8344的數據讀寫、異步數據編解碼等。使用FPGA很容易實現SPI接口間的通信，對ADS8344的數據讀寫僅用兩個進程就可以實現。部分程序如下：

　　(1)寫數據進程

　　程序中的8位控制字節是在另一進程中根據用戶要求進行配置的。控制寄存器格式如下：

　　控制寄存器各位的功能說明如下：

　　S——控制字節開始位。為高時，才表示輸入的字節有效。

　　A2~AO——模擬輸入通道選擇位。

　　SGL/DIF——模擬通道輸入方式選擇位。為高時，為單端輸入i為低時，為雙端差分輸入。

　　PDl～DO——功率管理選擇位。

　　(2)讀數據進程

　　ADS8344是多通道A/D轉換芯片，所以數據要添加通道地址碼。FPGA讀取了16位數據后，進行高速數據緩沖處理，使用速率與低速異步串口速率匹配。由于讀取的數據是16位，而異步數據是10位(1位起始位，8位數據位，l位停止位)，因此要對數據重新編碼。用FPGA實現異步數據格式非常簡單。下面是異步數據編碼的部分程序：

　　在數據編碼進程中，pdatam(15 downto 0)是A/D轉換出來的16位數據，分為4個異步數據幀。每幀的低4位是數據位，高4位是編碼位，數據編碼格式如表l所列。

　　上位PC機以指定速率接收到如表l格式的4個異步數據幀后，去掉起始位、停止位，地址位和空閑位，按地址位順序重新排列數據，就得到D15～D0的16位A/D量化數據，PC機對數據可做進一步的處理。

　　2.2 PC機編程

　　PC機端的應用程序是在NI公司的LahView環境下開發的，主要用于對采集到的數據進行解封裝，顯示，控制整個數據采集系統的進行、停止，設置一些相應的參數，以及進行最后的數據分析處理。

　　3 結論

　　該系統綜合運用了FPGA硬件描述語言改變電路結構、算法技術和無線點對點傳輸技術，將兩者相結合應用在遠程數據采集中。該系統用戶界面友好，操作簡便，精度、速度以及系統可靠性完全滿足要求。該系統應用于某研究所試驗中的飛艇與地面間的數據采集傳輸。實踐表明，該系統適合用在要求采集通道多、精度高，但速率要求不高的數據采集中。