數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測試系統(tǒng)中是一個很重要的環(huán)節(jié),，其精確性和可靠性是至關(guān)重要的,。本文闡述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高達(dá)16位，能夠?qū)?個外部模擬通道進(jìn)行A／D采樣,，最大模擬輸入信號范圍達(dá)到-15～+15V,。該系統(tǒng)具有限幅保護(hù)功能，程序編寫簡便,，能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

　　圖中,，A／D轉(zhuǎn)換器采用了TI公司的16位逐次逼近型ADS8344" title="ADS8344">ADS8344；FPGA" title="FPGA">FPGA主要用于控制ADC" title="ADC">ADC的啟動,、停止和查詢ADC狀態(tài)等,，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)緩沖、異步數(shù)據(jù)編解碼,、無線信道編解碼等數(shù)據(jù)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(dá)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(yīng)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(shù)據(jù)從DIN引腳輸入到8位只寫控制寄存器,。當(dāng)FPGA讀取完ADC上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時，下一個轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了DIN引腳,。一個完整的控制字節(jié)需要8個DCLK時鐘,。寫完控制字節(jié)的同時,，模／數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，模／數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出引腳BUSY產(chǎn)生一下降沿,，數(shù)據(jù)輸出有效,，F(xiàn)PGA開始接收由DCUT輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果。16位串行數(shù)據(jù)需要16個DCLK時鐘,，在接收串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采樣保持,、轉(zhuǎn)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(diào)理電路

　　數(shù)據(jù)采集前端的調(diào)理電路如圖3所示,。2個運(yùn)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(tǒng)是+5 V),，所以必須對輸入信號進(jìn)行單極性轉(zhuǎn)換。

　　其傳遞函數(shù)為：

　　式中：VOUT為轉(zhuǎn)換后的單極性電壓信號,；VREF由電壓基準(zhǔn)源提供,，在圖中是+2．5V；VIN為輸入的一15～+15 V電壓信號,。當(dāng)R3=6R1,、R4=6R2時，傳遞函數(shù)可化簡為：

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

　　1．3 無線通道

　　本系統(tǒng)是按用戶的要求設(shè)計(jì)開發(fā)的，其中,，無線通道是由用戶提供的,。本系統(tǒng)采用的無線通道是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá)40 km,，傳輸速率最高達(dá)11 Mbps,，對標(biāo)準(zhǔn)異步串口數(shù)據(jù)是透明傳輸。A／D電路輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA高速數(shù)據(jù)緩沖,、異步數(shù)據(jù)編碼,、無線信道編碼等數(shù)據(jù)處理后，送到無線通道進(jìn)行無線傳輸,。遠(yuǎn)端的無線接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)后送到FPGA進(jìn)行無線信道解碼,、異步數(shù)據(jù)解碼等處理,，恢復(fù)A／D采樣數(shù)據(jù)，然后或者送到D／A電路進(jìn)行模擬量輸出,，或者重新進(jìn)行異步數(shù)據(jù)編碼送到PC機(jī),，由PC機(jī)對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了FPGA硬件描述語言編程和PC機(jī)應(yīng)用程序,。

　　2．1 FPGA編程

　　FPGA編程使用VHDL語言,，主要包括對ADS8344的數(shù)據(jù)讀寫、異步數(shù)據(jù)編解碼等,。使用FPGA很容易實(shí)現(xiàn)SPI接口間的通信,，對ADS8344的數(shù)據(jù)讀寫僅用兩個進(jìn)程就可以實(shí)現(xiàn)。部分程序如下：

　　(1)寫數(shù)據(jù)進(jìn)程

　　程序中的8位控制字節(jié)是在另一進(jìn)程中根據(jù)用戶要求進(jìn)行配置的,?？刂萍拇嫫鞲袷饺缦拢?/p>

　　控制寄存器各位的功能說明如下：

• S——控制字節(jié)開始位。為高時,，才表示輸入的字節(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)程

　　ADS8344是多通道A／D轉(zhuǎn)換芯片,，所以數(shù)據(jù)要添加通道地址碼,。FPGA讀取了16位數(shù)據(jù)后，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是16位，而異步數(shù)據(jù)是10位(1位起始位,，8位數(shù)據(jù)位,，l位停止位)，因此要對數(shù)據(jù)重新編碼,。用FPGA實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)格式非常簡單,。下面是異步數(shù)據(jù)編碼的部分程序：

　　在數(shù)據(jù)編碼進(jìn)程中，pdatam(15 downto 0)是A／D轉(zhuǎn)換出來的16位數(shù)據(jù),，分為4個異步數(shù)據(jù)幀,。每幀的低4位是數(shù)據(jù)位，高4位是編碼位,，數(shù)據(jù)編碼格式如表l所列,。

　　上位PC機(jī)以指定速率接收到如表l格式的4個異步數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，就得到D15～D0的16位A／D量化數(shù)據(jù),，PC機(jī)對數(shù)據(jù)可做進(jìn)一步的處理,。

　　2．2 PC機(jī)編程

　　PC機(jī)端的應(yīng)用程序是在NI公司的LabView" title="LabView">LabView環(huán)境下開發(fā)的，主要用于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解封裝,，顯示,，控制整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)行、停止,，設(shè)置一些相應(yīng)的參數(shù),，以及進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)分析處理。

　　3 結(jié)論

　　該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了FPGA硬件描述語言改變電路結(jié)構(gòu),、算法技術(shù)和無線點(diǎn)對點(diǎn)傳輸技術(shù),，將兩者相結(jié)合應(yīng)用在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中。該系統(tǒng)用戶界面友好,，操作簡便,，精度、速度以及系統(tǒng)可靠性完全滿足要求,。該系統(tǒng)應(yīng)用于某研究所試驗(yàn)中的飛艇與地面間的數(shù)據(jù)采集傳輸,。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)適合用在要求采集通道多,、精度高,，但速率要求不高的數(shù)據(jù)采集中。