在許多物理實(shí)驗(yàn)(核聚變實(shí)驗(yàn)裝置托卡馬克的放電實(shí)驗(yàn))的數(shù)據(jù)采集過程中,，由于待測信號微弱且測試環(huán)境電磁輻射嚴(yán)重等因素,，在數(shù)據(jù)采集前端往往需要對信號進(jìn)行濾波和放大等信號調(diào)理操作，以濾除信號噪聲并將待測信號調(diào)整到后端數(shù)據(jù)采集卡的最佳量程范圍,，最終提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率,。
一般認(rèn)為在A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端增加信號調(diào)理電路以擴(kuò)展其動態(tài)范圍是必要的,。信號調(diào)理系統(tǒng)的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理,，有效提高實(shí)驗(yàn)效率，并且減少實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)調(diào)理電路的次數(shù),。
1 程控信號調(diào)理系統(tǒng)方案設(shè)計
設(shè)計需求：
①輸入信號電壓幅值(峰-峰值)為100mV～10V,；
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(zhì)因數(shù)可遠(yuǎn)程控制,；
④放大器增益選擇及程控濾波器各項參數(shù)均實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制；
⑤基于Socket設(shè)計上位機(jī)控制程序,；
⑥下位機(jī)IP地址,、放大器增益、濾波器各項參數(shù)通過可視化界面管理,。
基于以上設(shè)計需求,，本系統(tǒng)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(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序,。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制器，實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信,、濾波器參數(shù)和放大器參數(shù)的遠(yuǎn)程控制,，并將以上各數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，在系統(tǒng)開機(jī)或復(fù)位后能恢復(fù)關(guān)機(jī)前設(shè)置的參數(shù)值,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
如圖1所示,，系統(tǒng)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?shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信、程控濾波器電路和程控放大器電路的參數(shù)設(shè)置,。程控濾波器電路實(shí)現(xiàn)濾波器類型的選擇,，以及中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的設(shè)置。程控放大器基本電路實(shí)現(xiàn)對輸入信號的增益控制,。
2.1 控制器電路
基于AVR單片機(jī)的嵌入式控制器電路是整個程控信號調(diào)理系統(tǒng)的控制核心,，用于接收上位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)對程控放大器放大倍數(shù)的設(shè)置等操作,。該控制器電路在Ethernut 1.3g開源軟硬件嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重構(gòu),，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該電路采用核心芯片AVR單片機(jī)ATmega128,。ATmega128工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS,；內(nèi)置128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和4KB EEPROM，外擴(kuò)一片32KB的SRAM KM62256,；與IEEE802.3兼容的10Mbps以太網(wǎng)控制器RTL8019AS可實(shí)現(xiàn)全雙工以太網(wǎng)通信,。4KB的EEPROM可用于保存32路程控放大器的參數(shù)，在系統(tǒng)上電或重啟后用于自動恢復(fù)掉電前的放大器狀態(tài),。LM1086為系統(tǒng)提供1.5A、+5V穩(wěn)壓電源,。當(dāng)手動復(fù)位按鈕動作或系統(tǒng)電源電壓低于4.63V時,，MAX825L將向ATmega128發(fā)送復(fù)位信號,，引發(fā)系統(tǒng)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(shù)設(shè)置,。整個系統(tǒng)的數(shù)字地與模擬地采用單點(diǎn)接地設(shè)計,，以減少控制器電路數(shù)字信號的噪聲干擾信號調(diào)理電路中的模擬信號。
2.2 程控濾波器電路
常用濾波器是由RC元件和集成運(yùn)放所組成的有源濾波電路,。其濾波特性與電阻R和電容C的精度密切相關(guān),，由它們組成的參數(shù)可調(diào)濾波器不僅對器件的精度要求較高，而且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，不易于實(shí)現(xiàn)程序控制,。MAX261是一款雙二階開關(guān)電容有源濾波器。濾波器參數(shù)f0(中心或拐點(diǎn)頻率),、Q值,、MODE(模式)均可由微處理器分別編程寫入，無需外接元件即可構(gòu)成帶通(BP),、低通(LP),、高通(HP)、陷波(N)及全通(AP)有源濾波器,。
圖3為MAX261構(gòu)成的程控濾波器電路,。MAX261的4位地址線(A0～A3)、2條數(shù)據(jù)線(D0～D1)和1條寫使能允許信號(/WR),，分別與ATmega128的I/O端口連接,，使控制器可以通過I/O端口對MAX261的各參數(shù)進(jìn)行程序控制。如圖3右側(cè)所示,，通過短路冒可以選擇3種不同的濾波器類型(低通,、帶通和高通)。
2.3 程控放大器電路
多路開關(guān)和運(yùn)算放大器相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)程控放大器的簡易,、有效的方法,。利用多路開關(guān)來改變反相運(yùn)算放大器的反饋電阻或者輸入電阻，可以達(dá)到改變增益大小的目的,。對于精度要求高的場合,，可以選用高精度的運(yùn)放和電阻，并配合相應(yīng)的增益標(biāo)定以滿足系統(tǒng)要求,。
如圖4所示,，程控放大器電路主要由低噪聲精密運(yùn)放OP27和8選1模擬開關(guān)MAX308組成。OP27是低噪聲,、精密運(yùn)算放大器,，失調(diào)電壓為25μV且最大漂移為0.6μV/℃，非常適合于精密儀表應(yīng)用,。在10Hz下,，低噪聲,、低噪聲轉(zhuǎn)折頻率以及高增益這些特性，使其能對低電平的信號進(jìn)行精密的高增益放大,。8MHz的增益帶寬積和2.8V/μs的轉(zhuǎn)換速率,，使該放大器在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中保持極好的動態(tài)精度。程控放大器單位增益時,，帶寬要求為100kHz,，OP27是能夠滿足的。MAX308的輸入輸出范圍達(dá)-10～+10V,，導(dǎo)通電阻小于100Ω,，導(dǎo)通電阻一致性小于3Ω，可以滿足系統(tǒng)需求,。為節(jié)省I/O口,，控制信號由MC74HC595進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換后再實(shí)現(xiàn)MAX308的開關(guān)切換，進(jìn)而完成信號增益的調(diào)節(jié),。電阻選用RJJ型精密小型金屬膜電阻,，精度為±0.5%，溫漂系數(shù)為±50×10-6/℃,。
在圖4的電路中,，通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開，用于選擇不同反饋電阻來改變電路的增益,。但該方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的：由于切換開關(guān)與反饋電阻串聯(lián),，開關(guān)的導(dǎo)通電阻將影響放大器的增益?？紤]到速度和精度的要求,，取輸入電阻Rin=10kΩ，對應(yīng)于8個檔位0.1,、0,，5、1,、2,、5、10,、20,、50的反饋電阻Rf分別為1kΩ、5kΩ,、10kΩ,、20kΩ、50kΩ、100kΩ,、200kΩ,、500kΩ。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
根據(jù)設(shè)計需求,，軟件部分要求：
①控制器電路支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信；
②通過網(wǎng)頁瀏覽器或上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件登錄程控信號調(diào)理系統(tǒng),，并對濾波器參數(shù)和放大器增益進(jìn)行查看,、修改和保存。
運(yùn)行于ATmega128之上的嵌入式軟件是基于RTOSNut/OS的嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計,，應(yīng)用程序的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信并解析指令實(shí)現(xiàn)對后續(xù)硬件電路的控制,。應(yīng)用程序包含了兩個線程：一個是主線程(即TCP服務(wù)器端線程)，另一個是放大器參數(shù)群設(shè)置線程,。在Nut/OS中這兩個線程被設(shè)置成相同的優(yōu)先級,。
主線程程序流程如圖5所示。主線程首先進(jìn)行CPUI/O端口配置,、定時器T2模式設(shè)置,，以及IP、MAC,、Mask和Gateway配置,，恢復(fù)CPU掉電前程控放大器的放大倍數(shù)和程控濾波器的濾波參數(shù)，在創(chuàng)建放大器參數(shù)設(shè)置線程后將進(jìn)入TCP,，Socket服務(wù)器端程序,，并開始偵聽TCPSocket客戶端引入的連接，在接收到客戶端發(fā)出的指令后將執(zhí)行相應(yīng)的動作,。WrAmp字符串為放大器的放大倍數(shù)指令,，可用于設(shè)置放大器的放大倍數(shù)；RAAmp指令用于從EEPROM中獲取放大器參數(shù)并發(fā)往客戶端,；SetMX用于從指令中獲取濾波參數(shù)值,；q[uit]用于斷開連接。
放大器參數(shù)群設(shè)置線程程序流程如圖6所示,。采用這種雙線程參數(shù)設(shè)置結(jié)構(gòu),，可以在確保指令被后續(xù)硬件電路正確執(zhí)行的前提下，縮短TCP Socket的連接時間,，加快上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件對多個程控信號調(diào)理系統(tǒng)批量控制的速度,。
為了便于單機(jī)調(diào)試，嵌入式程序設(shè)計中還增加了http服務(wù)線程,，系統(tǒng)管理員使用Web瀏覽器即可訪問ATmega128上的靜態(tài)網(wǎng)頁,，對濾波器參數(shù)和放大器增益進(jìn)行查看、修改和保存。
在上位機(jī)開發(fā)可視化的數(shù)據(jù)控制軟件,，通過Socket套接字實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制軟件與ATmega128間的通信,。ATmega128程序作為服務(wù)器端，而上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件作為客戶端,，客戶端設(shè)置好服務(wù)器端的IP與端口號,，即可通過Socket套接字進(jìn)入連接狀態(tài)，雙方便可進(jìn)行信息交換,。上位機(jī)數(shù)據(jù)控制軟件由此控制程控信號調(diào)理系統(tǒng)的濾波器參數(shù)和放大器增益,，進(jìn)行查看、修改和保存,。此種控制方式可以滿足上位機(jī)數(shù)據(jù)控制平臺對眾多程控信號調(diào)理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制,。
4 系統(tǒng)性能測試
濾波器MAX261的設(shè)置可通過控制器ATmega128對其編程控制來構(gòu)成低通、帶通濾波器,。該濾波器設(shè)置了8級的截止頻率,、中心頻率和Q值，理想的頻率設(shè)置范圍為18～32kHz(步進(jìn)2kHz可調(diào)),，Q值設(shè)置范圍為0.5～4.0(步進(jìn)0.5可調(diào)),，濾波器的測試采用示波器雙通道跟蹤。
如表1所列,，CH1為輸入信號,，CH2為四階低通濾波后的輸出信號。輸入信號CH1峰-峰值為1.00V左右,，頻率從100Hz逐漸上升到40kHz時,，截止頻率設(shè)置為25kHz。其值可通過程序進(jìn)行修改,，通帶內(nèi)比較平坦,，滾降特性一般。
表2給出了相同輸入信號不同Q值下的測試結(jié)果,，可知隨著Q值的增大,，輸出信號的幅度衰減系數(shù)也跟著變大。低通濾波其他點(diǎn)的頻率,、Q值以及帶通濾波器的測試結(jié)果在此不一一列舉,，具體特性可通過示波器進(jìn)行觀察。
結(jié)語
基于嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的程控信號調(diào)理系統(tǒng),，利用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了程控信號調(diào)理,，網(wǎng)內(nèi)用戶可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號濾波參數(shù)和放大器增益的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)操作安全可靠,，設(shè)置方便簡單,，適用于需要進(jìn)行信號調(diào)理的大型物理實(shí)驗(yàn)等場合,。