一种新型智能化模拟信号采集板卡的设计#19#
一种新型智能化模拟信号采集板卡的设计
张 琤, 王新民, 赵凯瑞
(西北工业大学自动化学院, 陕西西安 710129)
摘要:为实现模拟信号采集的智能性及通用性, 开发了以C8051F005型单片机为控制核心的智能化模拟信号采集板卡。采用程控自校准技术, 内建高精度标准参考源, 解决了使用过程中的时漂、温漂问题; 采用幅值自适应技术控制信号调理电路的输出, 充分使用ADC 的转换范围, 提高了信号转换精度; 数据计算机与各板卡之间通过以太网依据M odbus 协议实现了点对多点的数据传输。成型板卡具有100kS /s的采样速率和12bit 的采样分辨率, 已在飞行控制半物理仿真系统中得到成功应用。关键词:模拟信号采集板卡; 校准环节; 单片机; 通信协议
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中图分类号:TP335. 4 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2010) 02-0019-05
D esign of a N e w Type Intelligent Anal ogical Signal A cquisition Board
Z HANG Cheng , WANG X i n -m i n , Z HAO K a-i ru i
(Schoo l of A uto m a tion , N orth w este rn Po lytechn i ca lU n i versity , X i øan 710129, Chi na)
Abst ract :To rea lize the i n tellegence and the un iversa lity o f the analog ical si g na l acqu isition , t h is board is de -si g ned based on the C8051F005m icr ocontr o ller . It has a buil-t i n high prec isi o n standard reference source . The
proble m of t h e te m perature drifts and the ti m e -vary i n g drifts can be so lved by the pr ogra mm able sel-f ca li b ration techno l o gy . The output o f cond ition i n g circuits is contro lled through the a m p litude se l-f adaptab le m ethod , w hich i n creases t h e conversion accuracy , then it can be c l o ser to the ADC øs operating reg i o n . The data trans m ission of data m anage m ent co m puter and the boards can be achieved rapidly and stab l y by the M odbus protoco l through the E therne. t Th is boar d can rea lize 100kS /sconversion speed and o ffer 12-b it accuracy , it is success -fu ll y used in t h e hardw are -in -l o op si m u lation for t h e fli g ht contro l syste m . K ey w ords :ana l o g ica l signal acquisiti o n board ; ad j u st li n ks ; M C U; co mm unication protoco ls 数字采集技术是信息技术的一个重要组成部分, 在科学研究中, 应用数据采集系统可获得大量的动态信息。目前, 伴随半导体技术、数字信号处理技术的飞速发展, 信号采集技术在速度和精度上都有了突破性的进展。随着应用范围的拓展, 信号采集正向高速度、高精度、集成化、单片化方向发展; 由于工业自动化技术的不断深入和发展, 又对其在智能化和通用性方面
[1]
提出了更高的要求。
为了扩展板卡对输入信号大动态范围的适应性、减小由于电路中器件参数特性不一致以及温漂时漂导
收稿日期:2009-10-10
作者简介:张琤(1984) ), 女, 河南洛阳人, 硕士研究生, 主要从事飞行控制、智能控制方面的研究; 王新民(1953) ), 男, 江苏扬州人, 教授, 博士生导师, 主要从事飞行控制及先进控制方面的研究; 赵凯瑞(1977) ), 男, 黑龙江望奎人, 博士, 讲师, 主要。
致的采集精度降低, 一般方法是对电路进行仔细地调整与补偿, 但是这样一方面增加了调试难度, 另一方面也很难从根本上解决上述问题。本板卡通过软硬件综合设计, 实现了板卡对输入信号动态范围的自适应, 实现了程控自校准功能。
其主要技术参数为:¹8个采样通道;
º输入信号的动态范围为0~? 45V;
»可程控设定每路信号特性:单端单极性/单端双极性/双端双极性;
¼周期性程控自校准, 自校准周期可设定; ½采样速率最高可到100kS /s; ¾采样分辨率为12bi; t
¿动态误差为? 1. 5LSB ;
À支持标准M odbus 协议, 可与常规工业PLC 互联。
#20#5测控技术62010年第29卷第2期
º单片机及其外围电路。该单元为板卡的智能化核心, 信号由该单元中的单片机进行采样, 同时该单片机负责管理系统工作状态。该单元中的配套软件具体实现板卡的工作状态切换、自动衰减电路的控制、程控放大器的控制、通信数据的接收发送等工作。
»485通信电路。采用平衡驱动器和差分接收器的组合, 实现单总线上的多板卡与数据管理计算机的数据传输,
抗干扰特性好。
1 智能化采集板卡的硬件设计
1. 1采集板卡的单元电路划分
该板卡有3个主要单元电路组成(如图1所示), 各功能单元划分与功能如下:
¹输入信号调理电路。该单元完成输入信号模式的切换、自校准模式与正常工作模式切换和信号幅度的智能化调节。
图1 模拟信号采集系统框架图
1. 2 单元电路工作原理介绍1. 2. 1 自校准智能调理电路
[2, 3]
图2为输入信号智能调理电路。最左端为自校准智能调理环节, 该环节由两个基准电压端(VREF+与VREF-) 和一个继电器(RL1、RL2) 构成。当继电器吸合的时候, 电路的输入为基准电压, 通过数字电位计与程控放大器的配合工作, 此时ADC 可以采集得
[4]
到标准参考电压值。由于此时基准电压是一个已知值, 因此通过ADC 的采集结果可以获得此状态下的信号调理通道的传递系数, 该系数即为系统自校准后的通道传递系数。板卡在每次上电开始采集之前, 都进行一次自校准操作, 先进行电路自校准, 进而排除了电路参数因为时漂、温漂等问题导致的误差。1. 2. 2 输入信号幅度自适应电路
如图2的输入信号智能调理电路由一个数字电位
计回路、一个程控运放和它们的附属电路组成。
(1) 信号幅值衰减环节。由R 69、R 70和数字电位器的一组抽头(VL3、V W 3) 组成了程控衰减电路。当输入信号过大的时候, 通过减小VL3与VW 3间的阻值, 即减小了送至运放环节的信号, 此时的运放应工作在最小放大倍数状态。
(2) 信号幅值放大环节。
程控运放AD623实现信号放大。当输入信号非常小时, 需要进行放大, 此时前级衰减环节工作在衰减量最小状态(尽量不衰减) 。通过动态调节运放的增益并配合滤波电路, 提高了输入信号的幅度与信噪比, 充分利用了ADC 采样范围, 提高了采样精度。
(3) 信号幅值自适应原则。
若采集值超过量程范围, 应适当调小运放的放大倍数到最佳位置。如果调至增益最小时仍然超
出范
图2 输入信号智能调理电路
一种新型智能化模拟信号采集板卡的设计
围, 说明前级衰减环节衰减比例不够大, 应扩大衰减比例。通过逐级调小电位计阻值, 使得采集值到达合适的采集量程范围内。
若采集的值较小, 即始终在满量程的底部变化, 则说明运放的放大倍数不够, 此时应调大运放放大倍数到最佳位置。如果调至最大时仍不能符合要求, 则说明信号在前级衰减环节衰减过多, 应该重新调节前级衰减环节参数。上述整个过程均由单片机程序自动运算并控制各个可调元件。1. 2. 3 基准电压生成电路
基准电压是数据采集板卡设计的一个重要部分, 其稳定性将直接影响到整个系统的性能。本板卡采用单片机内部提供的基准电压为基准源(B ase Re f), 该基准电压为一个温度系数为15ppm /e 的带隙电压基准发生器和一个2倍增益的输出缓冲放大器。带隙基准技术的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽, 较适用于10~12bit 精
[5]
度的系统中。
作为自校准参考电压的VREF+和VREF-由图3所示电路生成。B ias Ref 为AD623的基准电压; VREF +为采集通道的正校准电压; VREF-为采集通道的负校准电压。TLC2274是用先进的L i n C MOS 工艺制造的满电源输出幅度四运算放大器, 可提供相当好的AC 性能, 以及更低的噪声系数) ) ) 9nV /低输入失调电压) ) ) 300L V (25e 时) 和低温漂系数) ) ) 2L V /
e 。
[6]
TM
#21#
是整个系统的主流程。单片机在此过程中, 不停进行主函数的循环。需要调用某个功能模块时, 判断条件后跳入子函数, 执行子函数程序, 完成相应功能。图4
[8]
是主函数的程序流程图。2. 2 幅值自适应模块的软件设计
依据图2中的硬件电路, 软件设计分析如下:输入信号经由分压滤波后到达数字电位计X9258。信号幅值调理的原理是当输入信号的范围过大时, 衰减信号幅度, 将其控制在? 1. 25V 之间。紧接着由AD623进行信号微调, 主要目的是将信号进行整幅调节, 输出供单片机使用; 但当信号本身范围较小时, 前一步信号衰减不必使用, 只需要将其通过AD623适当的放大。经过此过程后, 将信号转化为单极性信号送到单片机模数转换输入端。图5为幅值自适应函数程序流程图。
X9258是一个具有4个相同数字电位计的集成电路芯片, 每个电位计自身阻值为408。对于任意的增
[9]
益值, R G 可由以下公式计算
R G =100k 8/(G -1)
(1)
当G =1时, R G 端不连接(RG =]) 。数字电位计是通过调节滑动的阶数来选择阻值的, 每个数字电位计为256阶, 所以当给定电压值I N m ax 后, 电位计应移动到的阶数可由下面公式计算
M =(I N m ax /1. 25) @256
(2)
一般情况下, I N max 的数值大小并不是恒定不变且大小已知的。所以当检测到幅值自适应调节标志位为
1时, 进入图5所设计的程序调节信号的衰减和放大倍数。在对数字电位计1阶数进行调整的时候, 由于自适应过程要尽快寻找到恰当的放大倍数, 其阶数的调节按照下面10个档位按顺序逐次调节(见表1) 。
表1 X9258阶数调节表(单位k 8)
增益G 124816
R w 0. 040. 040. 040. 040. 040. 040. 040. 040. 040. 04
R x ]10033. 2914. 256. 633. 191. 550. 750. 350
R G ]100. 04100/3100/7100/15100/31100/63100/127100/2550. 04
阶数/[1**********]210
图3 基准电压产生电路
3264128256/
[7]
系统参考电压设定为2. 5V, 当环境温度在25e 基础上每变化1e 时, 输出电压的变化如下式所示
2. 5V ? 15pp m /e
@1e =2. 5V ? 0. 0000375V
可见基准输出电压因受环境温度变化而偏离正常值的幅度很小, 可以作为系统校准应用。
经过幅值自适应函数程序的循环判断来调节放大衰减倍数, 实现了外界输入信号变化, 内部采集倍数相
应调整的技术要求。2. 3 SMB U S 协议程控芯片的软件设计
在本板卡中数字电位计X9258与单片机之间的通信采用的是S M B US 协议, 关于S M B US 从机接收程, 2 智能化采集板卡的软件设计
2. 1系统主程序设计
板卡软件是在Ke ilC51环境下用C 语言编写的。本板卡主函数完成通道信号的采集、中断服务函数、M ,
#22#5测控技术62010年第29卷第2期
图4
主函数程序流程图
图5 幅值自适应函数程序流程图
寄存器SMB0STA 中存入了在相应状态下的状态码。图6给出单片机与芯片X9258之间通信的程序流程图。2. 4 程控自校准模块的软件设计
, 按照程控自
校准技术的工作步骤, 程控自校准模块的软件工作逻辑为:
¹对稳定准确的校准电压VoltageIn 采样, 得采样电压值Samp leVoltage , 按式(3) 计算
K =V oltageIn /SampleV oltage
(3)
一种新型智能化模拟信号采集板卡的设计#23#
图6 S M B U S 程序流程图
得出校准模式下的校准常数。
º校零和标定。令输入电压VoltageIn =0, 采样电压值由式(4) 计算
Sa mp leVo lt age =K @E
(4)
式中, E 为折算到输入端的由校准通道放大器和零点漂移变化所引起的变化数值。
校零后, 调整输入电压Vo lt a geIn 为参考标准电压值Volatagere , 则标准输出电压值通过下面公式计算为
[10]
熟、完善的485通信和SMBUS 协议, 增强了信息传递的稳定性、准确性。随着我国航空航天技术的发展, 这种智能型、通用型采集板卡将会得到越来越广泛的应用。
参考文献:
[1] 周林, 殷侠, 等. 数据采集与分析技术[M ].西安:西安电
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型使用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2005-01. [4] 赵海涛, 罗飞路. 基于T LC4502和M AX 111的数据采集系
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Sa mp leVo ltagere =K @(V ola t ager e +E ) (5)
»测量。利用式(5) 所得输出电压值准确的情况下便可以对8个通道进行信号采集。
经过硬件软件相结合的方法, 本板卡可以实现电路的程控自校准, 而且可以把自校准所得的通道系数存储在寄存器中, 这样即使在工作过程中遇到了突然断电的情况, 重新上电后调出数据即可继续下面的数据采集, 保证了同批次采集时参数相同, 保证了采集工作更加准确。
3 结束语
本模拟信号采集板卡是基于解决信号采集系统的通用性和智能性的要求设计开发的。从局部看,
能上它可以完成对模拟信号的衰减倍数、程控调节; 校准模式以及单端/双端信号的程控切换; 可以高速度、高精度的完成8通道12整体上看, 模拟信号采集板卡是一个完善的系统, 号接收、信号调理到信号转换和信号输出, t