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1 引 言 在科研、生產和人們的日常生活中，模擬量的測量和控制是很常見的。為了對溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量進行測量和控制，通過傳感器把上述物理量轉換成能模擬物理量的電信號，即模擬電信號，將模擬電信號經過處理并轉換成計算機能識別的數字量，送入計算機，這就是數據采集。 數據采集的主要問題是采集速度和精度。采集速度主要與采樣頻率、A／D轉換速度等因素有關，采集精度主要與A／D轉換器的位數有關。高速數據采集系統的設計需要解決系統在速度、精度、數據存儲等方面的矛盾。 2 數據采集系統的結構 本文介紹的數據采集系統采用Samsung公司的S3C2410微處理器。數據采集系統按照功能可分為以下幾個部分：模擬信號調理電路，模數轉換器，數據采集和存儲，時鐘電路和系統時序及邏輯電路，如圖1所示。 圖1 數據采集系統結構圖 3 數據采集系統關鍵技術分析 3．1 系統時鐘電路設計 時鐘信號的穩定性決定了采樣系統的性能。相位噪聲和相位抖動是反映時鐘穩定性的的兩個主要指標。其中相位噪聲描述時鐘信號的頻譜純度，相位抖動直接影響時鐘的過零點。通常高速的AD采樣系統采用三種時鐘源：鎖相環、晶振、模擬混頻器。由于鎖相環一旦失去基準頻率，輸出頻率會立刻跳回振蕩器本身的頻率，此外當進行頻率調整的時候，輸出頻率會產生抖動，頻差越大，抖動會越大，不利與高速AD采樣系統。模擬混頻器速度慢，只適合在低頻的條件下工作。因此，在高速電路的設計中，一般選擇高頻晶振作為時鐘源。 在高速AD采樣系統中，取樣時鐘的穩定性與信噪比的性能密切相關。任何時鐘信號噪聲及時鐘信號相位抖動都會影響采樣系統的精度，時鐘信號相位抖動對模數轉換信噪比(SNR)的影響，可通過公式計算： 其中：fs為采樣時鐘頻率，N為模數轉換器位數，△clk為時鐘信號相位抖動量。 3．2 模數轉換器的選擇 ADC的選擇除了要考慮數據輸出電平，接口方式，控制時序，參考源，帶寬等因素外，最重要的是根據設計需求計算動態指標：信噪比，采樣率，滿度范圍等，從而可以得到ADC的位數、最高時鐘頻率、模擬輸入范圍等參數，既可選擇所需要的ADC。本設計根據要求：采樣頻率20 MHz，實時采樣20 Msps，轉換位數12位，選擇了美國AD公司的AD9224芯片。 3．3 模擬信號調理電路設計 被采樣的信號經過模擬信號調理電路的低噪聲放大，濾波等預處理后，進入輸入通道。由于高速數據采集系統的輸入信號多為高頻信號，需要進行阻抗匹配和前置放大。因此可以選擇高速低噪聲信號前置放大器和信號變壓器。 信號前置放大器的優勢是放大系數可變，信號輸入的動態范圍大，還可以配置成有源濾波器，但是放大器的最高工作頻率和工作帶寬必須滿足系統的需要，以避免信號失真。 信號變壓器的性能指標要優于信號放大器，而且信號失真小。但是信號變壓器的信號放大系數固定，輸入信號的幅度受到限制。 3．4 硬雙緩沖實現連續采集存儲 在高速的數據采集過程中，要求數據存儲和S3C2410讀數據同時進行，在相關文獻中提出了一種基于軟件系統雙緩沖模式的存儲技術，但是經過分析發現其在解決連續存儲和讀數的同時也降低了微處理器的性能。在本設計中提出的基于硬件的雙緩沖模式可以很好地解決這個矛盾，其工作原理如圖2所示。 圖中序號1～6代表工作流程，采集數據經CPLD控制首先由FIFO寫入存儲器1，當存儲器1數據寫滿后，產生硬件中斷信號，該信號有兩個作用：通知微處理器系統數據已經準備好，由微處理器從存儲器1取回數據放入緩沖區；通知CPLD控制邏輯關閉FIFO與存儲器1之間的數據通道，同時開啟FIFO與存儲器2之間的數據通道，后續數據得以連續無間斷的存入存儲器1。此時，存儲器1的數據正被微控制器讀出，當存儲器2數據就緒后，同樣產生硬件中斷信號。如此交替循環就可以實現采集數據長時間連續無斷點存儲。 3．5 多路同步采集存儲時序分析 要完成多路信號的同時存儲且數據連續無間斷點、無差錯，對時序邏輯的設計提出了較高的要求，本文采用的CPLD器件，利用其在結構、密度、功能、速度和性能上的特點，并配合在線可編程(ISP)技術，實現了精確的時序控制，大大減少線路的噪聲和功耗。 對多路信號同時鎖存，若不允許丟失數據，必須在單個采集時鐘周期內把多通道鎖存的數據存入同一存儲器中。假設同步采樣頻率為fs，通道數量為m，每個通道的存儲時間為tn(n=1，2，3，…，m)，則有t1+t2+t3+…+tm一1／fs，既所有通道存儲時間之和為采樣周期。 假設t1=t2=…=tm=T，則各通道存儲時間相同的條件為： 從實際角度出發，在一個采集時鐘周期內還有其他的時間消耗，如保持時間和轉換時間等，假設其他時間消耗為ta，則： 如果fs的占空比為1：1，根據ADC實際工作時的情況，可以近似認為ta=1／(2*，fs)，既在一個采集周期中只有半周期的時間可供存儲數據，則單個通道的存儲時間： 根據上面的設計可以實現單采樣周期內多路數據存儲。 3．6 系統抗干擾設計 高速數據采集系統在抗干擾方面的問題遠遠大于中低速系統，例如信號連線上的延遲、反射、串擾、器件內部過度干擾和熱噪聲，電源干擾，地噪聲等。輕則影響運算放大器、AD轉換器等模擬器件的精度，嚴重時系統將無法正常工作。因此在高速數據采集系統設計中，整個系統的采集精度主要取決于系統的抗干擾設計。在電路設計初期和制板階段就必須采取各種措施，以減小或者消除可能的干擾源。本文主要從以下幾個方面進行考慮： (1)電源設計方面 根據高速電路設計理論，AD采集系統中的電源應當采用線性電源，以避免開關電源引入噪聲。為了降低電源阻抗，減小噪聲對電源的干擾，通常采用電源層設計，盡可能增大電源面積。在設計每個芯片的供電電路時，在每個芯片的電源附近并聯去耦電容和旁路電容。去耦電容為芯片提供局域化的直流。旁路電容可以消除高頻輻射噪聲和抑制高頻干擾。 (2)接地技術方面 高速數據采集系統的模擬地和數字地應嚴格分開，最后單點共地。共地點通常選擇在ADC芯片管腳所需電流最大的位置，這樣可以使大電流對地回流最近，以避免對模擬電路的干擾，提高系統的采集精度。 模擬地和數字地可以通過磁珠連接，由于磁珠的高頻阻抗大，而直流電阻為零，能夠濾除高頻電流減少地線上的高頻噪聲。 4 結語 高速數據采集系統一直是測控領域內研究的熱點，本文就基于ARM9的高速數據采集系統的結構，詳細討論了系統時鐘電路設計、模數轉換器的選擇、模擬信號調理電路的設計、硬雙緩沖實現連續采集存儲、多路同步采集存儲的時序分析，系統抗干擾設計等關鍵技術。經實踐證明，該設計方案效率是很高的。 |
