基于CH375的智能數據采集卡設計分析
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月09日
引言
數據采集是現代電子系統中不可缺少的重要組成部分，在測量、制造、自動(dòng)控制等場(chǎng)合都需要高質(zhì)量的信號采集環(huán)節，由于A(yíng)DC技術(shù)和微控制器技術(shù)的相對成熟，基于PCI，ISA等接口的數據采集卡被廣泛地應用在眾多科研和工控領(lǐng)域。在測試技術(shù)日益變革的今天，測試任務(wù)更加復雜多變，需要采集和處理的信息量更加冗長(cháng)，同時(shí)要求測試環(huán)節與計算機的接口更加無(wú)縫化和標準化，基于虛擬儀器技術(shù)(Virtual Instruments)和高速USB 2.0接口的數據采集有著(zhù)更為廣泛的應用前景和市場(chǎng)，是當前測試技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。
以運算速度更快，位數更寬，資源更為豐富的ARM處理器作為控制核心，配合USB 2.0數據傳輸和靈活的上位機軟件，新一代的數據采集卡已經(jīng)不再局限于單一的板卡形式，可以通過(guò)連接線(xiàn)獨立于計算機之外，根據測試任務(wù)的需求，滿(mǎn)足高精度、高速率、多功能的測試指標。同時(shí)由于采用了高性能的ARM處理器，控制程序容量加大，方便實(shí)現數據采集的獨立化、智能化、多樣化，擺脫數據采集系統對上位機運算能力的依賴(lài)，從而開(kāi)發(fā)出全新的智能數據采集卡。
1 系統原理及框圖
整個(gè)系統的組成框圖如圖1所示。被測電壓信號經(jīng)過(guò)前置調理送到AD7685進(jìn)行采樣，由Atmega48的SPI驅動(dòng)AD7685，采集到的雙字節(16 b)數據由Atmega48并口，分兩次傳送給ARM ADuC7026核心。當數據采集卡工作于聯(lián)機狀態(tài)時(shí)，由PC上位機軟件設置采樣頻率和通道工作模式，經(jīng)過(guò)處理通過(guò)USB控制芯片CH375送數據到PC端；當數據采集卡工作于離線(xiàn)模式時(shí)，無(wú)需PC上位機干預，數據采集卡按照預先設定的采樣頻率和工作模式進(jìn)行采樣。并將采樣數據通過(guò)USB控制芯片CH375送數據到U盤(pán)端。系統采用±9 V，+5 V，+3.3 V以及模擬地數字地，并由DC／DC模塊產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)良好的LC濾波為各個(gè)電路單元提供電力。人機接口(HMI)采用簡(jiǎn)潔的雙按鍵和LED指示，對整個(gè)數據采集卡工作模式的選擇和運行狀態(tài)進(jìn)行控制。
2 數據采集卡的硬件實(shí)現
2.1 ADC接口和信號調理電路
為了滿(mǎn)足較高的采集精度和采樣速率，該設計選擇AD7685作為模擬／數字轉換器件。AD7685是一款16位、串行輸出、250 KSPS、電荷再分配、逐次逼近型(PulSAR)ADC。ADC與處理器采用串行外圍設備接口(SPI)接口進(jìn)行連接，為了保證ADC的精度，采用高速光耦6N137隔離式驅動(dòng)電路來(lái)隔離處理器SPI總線(xiàn)上的串擾。
前置調理電路信號的流向參見(jiàn)圖1系統組成框圖。設計中，采用模擬開(kāi)關(guān)ADG1024對輸入信號進(jìn)行切換，并通過(guò)可編程增益放大器(PGA)AD8251進(jìn)行處理，通過(guò)增益為0.2的電平轉換16位ADC驅動(dòng)器AD8275，把±5 V的信號轉換成0.25～2.25 V的信號，極大地擴展了該數據采集卡的測量范圍，而簡(jiǎn)化了前置調理電路的設計，其電壓計算公式如下：
經(jīng)過(guò)前置調理電路使得不同量程范圍的輸入信號放大或衰減到0.25～2.5 V內，最大限度地利用ADC量程，使得采集系統的4個(gè)輸入通道可以有單通道、雙通道、四通道3種工作模式，且每個(gè)通道皆可以設置為任意量程。前置通道的相應配置由處理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。
2.2 EMC措施
該設計采用外置9 V開(kāi)關(guān)型穩壓電源或USB端口供電，由于開(kāi)關(guān)電源的低成本和高功率密度，普遍被現代電子系統設計所采用，但其帶來(lái)的電磁干擾(EMI)問(wèn)題也不容忽視。同時(shí)，ARM7主頻高達45 MHz，必須考慮其EMI問(wèn)題。該設計盡量選取低噪聲的放大器和ADC，遵循最短路徑的布線(xiàn)原則，確保前置通道具有較低的噪聲水平。設計中，采用數字地／模擬地分區覆銅，并一點(diǎn)接地的布線(xiàn)方式，避免電源和數字部分對模擬地電位產(chǎn)生浮動(dòng)和干擾。同時(shí)，采集卡外殼貼裝鋁箔紙，以防止外界電磁輻射影響內部電路的工作。
2.3 USB接口
該設計使用USB控制芯片CH375，內置海量存儲固件，既可以作為USB設備方式向PC上位機傳送數據，又可以作為USB主機，將數據存入U盤(pán)中。該芯片支持USB 2.0通信協(xié)議，在并口工作模式下能同時(shí)支持主機方式和設備方式。為了保證USB高速傳輸數據的穩定性和完整性，采取如下措施：
(1)采用USB屏蔽線(xiàn)作為連接線(xiàn)，保證數據傳輸不受外界電磁干擾。
(2)保證計算機USB端口的地線(xiàn)與USB控制芯片CH375的地線(xiàn)嚴格等電位。
2.4 ARM系統的構建
ADuC7026是基于A(yíng)RM7TDMI內核的精密控制器，具有62 KB FLASH，8 KB RAM和4個(gè)通用定時(shí)器，內部集成UART，I2C，SPI，DAC，PWM，JTAG端口、PLA等眾多硬件資源，40個(gè)通用I／O引腳。CPU時(shí)鐘高達45 MHz，采用80腳LQFP封裝。在該設計中，搭建了一個(gè)包括供電電路、時(shí)鐘電路、復位電路、JTAG程序下載調試接口等電路的完整ARM7應用系統。實(shí)際上由于實(shí)測ADuC7026的外部I／O取反速度只有4 MHz，因此在SPI設計中，該設計加入Atmega48單片機作為中轉，保證了控制核心在處理USB通信、U盤(pán)讀／寫(xiě)等大量信息時(shí)對采樣的準確觸發(fā)。
3 程序設計
3.1 ARM端程序編寫(xiě)
ARM下位機軟件完成的主要功能有3個(gè)進(jìn)程，分別為Wait，Online，Offline。當數據采集卡上電復位后，首先執行Wait進(jìn)程，該進(jìn)程等待按鍵操作，更改系統工作模式，配合的子程序還有相應初始化程序、按鍵防抖程序等。當Wait進(jìn)程結束時(shí)，系統轉入聯(lián)機模式(Online)或離線(xiàn)模式(Offline)。聯(lián)機模式按照用戶(hù)設置進(jìn)行采樣，將數據存入CH375緩沖，CH375負責將數據傳送給上位PC機，其程序流程如圖2所示。離線(xiàn)模式則利用CH375海量存儲固件，將數據存入U盤(pán)。為保證采集的實(shí)時(shí)性，控制器將數據存放在U盤(pán)扇區中，而不是以文件的形式讀／寫(xiě)，避免創(chuàng )建文件時(shí)復雜時(shí)序的延誤，其程序流程圖如圖3所示。
3.2 PC端編程
該數據采集卡的上位機應用程序由動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL和客戶(hù)端程序2個(gè)部分組成。其中，DLL負責與內核態(tài)的USB功能驅動(dòng)程序通信，并接收應用程序的各種操作請求；客戶(hù)端程序負責對數據進(jìn)行分析處理。采用VC++編寫(xiě)，遵循了工程通用的輸入／輸出界面，可以完成普通數據采集卡的在線(xiàn)采集功能，同時(shí)也可以將數據采集卡存儲在U盤(pán)中的采集數據，通過(guò)物理扇區尋址來(lái)讀取相應的采集數據。
4 測試與結論
通過(guò)該數據采集卡掛載U盤(pán)，對5 kHz正弦單通道信號進(jìn)行采集，將U盤(pán)數據導入上位機，以獲得如圖4所示的波形，它良好地復現了現場(chǎng)波形信號。
5 結 語(yǔ)
由于采用了支持海量存儲技術(shù)的多模式USB總線(xiàn)控制芯片CH375和高速低功耗的ARM7控制器，使得該數據采集卡具有一定的智能采集能力，擺脫上位機連接限制而獨立工作，采集到的數據存儲到U盤(pán)中。符合新型數據采集系統小型化、移動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢，廣泛適用于工業(yè)現場(chǎng)和戶(hù)外作業(yè)等應用場(chǎng)合，有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。
