基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP/CPLD/FPGA、DSP等先進IC，本文融大動態(tài)范圍程控模擬前端調(diào)理（AFE）、高精度采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯(lián)和測量、控制、通信、計算機（MC3）一體化，對開放型、模塊化多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經(jīng)典實現(xiàn)方法進行了深入分析。
　
　　數(shù)據(jù)采集與處理是現(xiàn)代儀器科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)，是利用微電子技術(shù)、信息技術(shù)等領(lǐng)域的研究成果以解決信息的獲取、傳輸、變換、存儲、處理與分析。其主要技術(shù)指標包括通道增益、帶寬、采樣速率、分辨率、精度、通道緩存、數(shù)據(jù)記錄容量、實時性及通訊控制接口等?？v觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來，可以預(yù)見：數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將朝著高速度、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)境適應(yīng)性和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展?；谙冗MIC技術(shù)，本文致力于融大動態(tài)范圍程控模擬前端調(diào)理、高精度連續(xù)采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯(lián)和測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化對開放型、模塊化、數(shù)字化、多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經(jīng)典實現(xiàn)方法作深入分析，并在實際應(yīng)用中取得良好效果。

采集系統(tǒng)性能分析

　　“屬性完整，量值準確”是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)追求的目標。采集系統(tǒng)諸多技術(shù)指標中為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度、動態(tài)范圍與采樣速率。采樣速率取決于ADC(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)本身，可通過器件選型來解決。而系統(tǒng)分辨率通常用有效位值(LSB)或ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)來衡量。動態(tài)范圍(DR)和精度(衡量指標：相對誤差)是決定系統(tǒng)設(shè)計成敗的關(guān)鍵。根據(jù)各自定義公式：

　　分析可知：影響采集系統(tǒng)性能的主要因素是ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)和輸入ADC的電壓范圍。為擴大系統(tǒng)測試動態(tài)范圍和實現(xiàn)精密測量，除了選擇性能優(yōu)良的ADC芯片和充分抑制信號傳輸通道噪聲外，還需要將大動態(tài)范圍的輸入電壓信號經(jīng)模擬前端進行程控精密調(diào)理，實現(xiàn)ADC輸入范圍。同時加上通道自動調(diào)零和增益校準環(huán)節(jié)，動態(tài)補償模擬通道系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的性能。

AFE經(jīng)典設(shè)計及自校準方法

　　基于以上分析，為實現(xiàn)大動態(tài)范圍內(nèi)輸入信號的高精度采集，采集通道模擬前端(AFE)應(yīng)包括輸入阻抗匹配、放大、衰減、濾波、偏置、自校準和調(diào)零等功能單元。本文從開放性、模塊化與可程控角度出發(fā)，提出用MUX(復(fù)選開關(guān))，PGA(程控增益放大器)，DCP(數(shù)字可控電位器)，LPF(抗混迭濾波器，包括集成式程控濾波器)，DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)、ISP(系統(tǒng)內(nèi)可編程器件)/FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)構(gòu)建經(jīng)典高性能AFE，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集的高性能AFE經(jīng)典實現(xiàn)

　　經(jīng)典AFE模塊可作為一個獨立的單元通過接受MPU/DSP的程控選擇，在抑制噪聲、將大動態(tài)范圍(±10V)電壓信號調(diào)理到ADC的輸入范圍的同時，可實現(xiàn)模擬通道的功能自檢、自動校準(自動調(diào)零和標定)等。

　　基于小二乘估計的數(shù)據(jù)采集通道自動校準方法如下。VrefAD 和VrefDA分別為ADC和DAC的參考源，Vx1是 MUX模擬輸出信號，Vx2是Vx1經(jīng)過經(jīng)典AFE調(diào)理之后的輸出信號，XAD是ADC輸出的數(shù)字信號，XDA為DAC數(shù)字輸入信號。根據(jù)電路中所采用IC的電氣特性，可作如下假設(shè)：

① 模擬復(fù)選開關(guān)(MUX)為理想狀態(tài)，
即Vx1＝Vin或Vx1＝Vcal。 (1)
② 信號調(diào)理電路的輸入輸出為線性關(guān)系，
即Vx2 ＝A0*Vx1+B0。 (2)
A0為信號調(diào)理電路的增益(當A0＞1時，信號被放大；當A0＜1時，信號被衰減)，B0為調(diào)理電路的零點漂移電壓。
③ ADC輸入輸出滿足線性關(guān)系，
即XAD=A1*Vx2+B1。 (3)
A1＝2n-1/VrefAD(n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù))，B1為ADC轉(zhuǎn)換偏差(當B1＝0時，ADC處于理想狀態(tài))。
④ VrefAD和VrefDA恒定。
⑤ 各器件的輸入信號滿足器件的要求。
在以上假設(shè)成立的情況下，由式(1)，式(2)，式(3)可得到XAD與Vin之間的關(guān)系式(4)：

上式中，。

　　即為數(shù)據(jù)采集通道的標定模型，A和B稱為采集通道的標定系數(shù)。

　　模型參數(shù)A和B的辨識可通過輸入標準DC信號()對一采集通道進行N次測量，建立起輸入信號Vin和輸出信號XAD之間的方程組，根據(jù)小二乘法求解A和B。從性價比和系統(tǒng)緊湊度出發(fā)，可采用DCP+AMP的方式來代替集成PGA與DCP，使系統(tǒng)增益調(diào)整(包括程控放大和衰減)、自動調(diào)零和自動校準功能單元更加緊湊地融為一體，系統(tǒng)體積和功耗大為降低，與單片可程控增益放大器(PGA)相比，分檔更細，價格更低。

總體設(shè)計

　　本著“經(jīng)濟、實用、可靠、先進性”原則設(shè)計模塊化、開放型硬件平臺?；诟咝阅艿腁FE經(jīng)典實現(xiàn)方法，引用先進IC技術(shù)，高精度采集與實時處理模塊主要包括基于信號程控選擇(MUX, ADG509)、程控放大(PGA, PGA202)、程控衰減(DCP, X9312)、直流電平偏置、抗混迭濾波、和自校正參考源(DAC, MAX547/DAC7614)的大動態(tài)范圍程控模擬前端(AFE),基于ISP/FPGA的譯碼邏輯控制部分，基于FIFO一級緩存(在FPGA中實現(xiàn))、SDRAM二級緩存和FLASH的數(shù)據(jù)緩存部分，高速ADC與高性能DSP小系統(tǒng)，以及外部通信控制接口部分等功能模塊?？蓪Υ髣討B(tài)范圍(-10V~+10V)、微弱電壓信號(10mv/div)進行智能化精密調(diào)理、高精度采集、同步緩存、實時處理以及高速數(shù)據(jù)傳送。模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 基于集成電路的數(shù)字化多通道數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經(jīng)典設(shè)計

　　在DSP與FPGA的控制下通道輸入信號可自動切換為內(nèi)部的DAC，用DAC產(chǎn)生特定的直流與交流信號作為標定信號，不僅可以標定通道的增益與零偏，而且可實現(xiàn)采集通道的功能自檢。另外根據(jù)實際需要，可方便地更換ADC器件、擴充FLASH為CF卡/硬盤等大容量存儲器件以實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)?；贒SP&FPGA/CPLD的開放型設(shè)計，本模塊既可自成體系，又非常容易拓展。外部通信接口可以RS232/RS485/ IEEE1455/USB/LAN/CAN等方式建立起與PC或其它系統(tǒng)的無縫數(shù)字連接，輔以必要的物理電氣接口設(shè)計，即可與標準PCI/VXI/PXI/ LXI系統(tǒng)完全兼容。

工程實例

　　基于ADS8364的六通道高精度連續(xù)采集與同步傳輸模塊研制

　　基于ADS8364的6通道高精度連續(xù)采集與同步傳輸卡實物圖片如3所示，主要包括MUX、PGA、DCP、直流電平偏置、抗混迭濾波、六通道并行ADC、高速緩存(FIFO)及其自檢通路、儀器總線接口等部分。通過MUX切換，可程控選擇傳感器信號、電壓信號或內(nèi)部標定、調(diào)零信號，以達到實現(xiàn)專用旋轉(zhuǎn)機械振動測試和通用電壓測試的雙重目標,且可程控實現(xiàn)自動調(diào)零、自動標定和大動態(tài)范圍信號的高精度調(diào)理(直流測量精度0.05％FS)。采用TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，可實現(xiàn)16位數(shù)字分辨率、250KHz采樣頻率、采速程控可調(diào)250K/200K/100K/50K/20K/10K/5K/1KHz)的并行6通道連續(xù)采集。高速FIFO (IDT7205)實現(xiàn)16KB高速緩存，以滿足外部控制器模塊通過儀器總線接口實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集卡的大容量數(shù)據(jù)流連續(xù)無失真采集和同步傳輸控制。

圖3 基于ADS8364六通道高精度連續(xù)采集與同步傳輸模塊實現(xiàn)

基于AD7721的八通道高精度采集與實時處理模塊研制

　　如圖4所示，基于AD7721的八通道高精度采集與實時處理模塊主要包括前端模擬調(diào)理電路(AFE)、高精度串行ADC、FPGA、高速緩存(SDRAM)、觸發(fā)定時控制、DSP、外部通信控制總線接口和PC監(jiān)控調(diào)試接口等部分。主要適用于熱電偶、應(yīng)變片、壓阻、熱電阻等傳感器初步調(diào)理的微弱電壓信號或通用電壓信號進行高精度程控調(diào)理、實時采集與處理。

圖4 基于AD7721的八通道高精度采集與實時處理模塊實物圖片

　　由ADC、DSP和高速緩存SDRAM三者構(gòu)成一個靈活緊湊的實時信號處理結(jié)構(gòu)，保證DSP發(fā)揮高密度實時信號處理能力。FPGA主要實現(xiàn)AFE與ADC控制以及8路高精度串行ADC(AD7721)輸出數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換等。RS232接口為高精度采集和實時處理模塊提供與PC機進行命令和數(shù)據(jù)交互的通道。基于儀器總線接口，可方便地實現(xiàn)多個模塊的同步互聯(lián)和無縫數(shù)字連接。

結(jié)語

　　本文充分應(yīng)用微電子技術(shù)的成果，采用先進IC單元；本著“經(jīng)濟、實用、先進、軟硬件一體化和ISP”的設(shè)計思想，結(jié)合DSP強大的信號處理能力，提出了通用性好、可移植性強的開放型多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實時處理模塊的經(jīng)典實現(xiàn)方法,并用大量工程實例進行了驗證。在X代步兵戰(zhàn)車發(fā)動機綜合參數(shù)動態(tài)測試系統(tǒng)、某型號高精度振動信號處理模塊、以及軍用ATE/ATS等中取得了良好的應(yīng)用效果。在高端智能儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)型分布式測控系統(tǒng)特別是融數(shù)據(jù)采集、特征提取、測試數(shù)據(jù)實時壓縮于一體的旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中有著廣泛的適用性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)與FPAA混合編程技術(shù)的發(fā)展，其模塊化設(shè)計思路(AFE/ADC/ FIFO/DSP/FPGA) 可望在一片模擬數(shù)字混合SOC(ASIC)中實現(xiàn)，為現(xiàn)代測控設(shè)備帶來新的變革。

參考文獻：

1. 杜金榜，王躍科, 儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨向[J]，儀器儀表學(xué)報，2002.5(s):228-230
2. 熊書明，趙躍華，基于CS5460A的高精度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J]，計算機應(yīng)用研究，2003.11
3. 鐘小鵬, 杜金榜, 王躍科,大動態(tài)范圍高精度AFE程控調(diào)理的經(jīng)典實現(xiàn)方法[J],計算機測量與控制, 2006, 14(4): 533-535
4. 李鵬，高精度振動信號處理模塊階段技術(shù)報告[R]，國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，1999
5. 杜金榜, 王躍科, 潘仲明, 程曉暢, 旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測48通道連續(xù)錄波及海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的研制[J],長沙電力學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2006.8, 21(3):49-53
6. 杜金榜, 喬純捷, 王躍科, 程曉暢, 基于數(shù)據(jù)壓縮的旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測系統(tǒng)研制[J],計算機測量與控制