徐聰輝 李彩 張振昭

摘要：為配合高靈敏度硅光電倍增管實現(xiàn)100-1700范圍17個角度水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)的寬動態(tài)范圍、高靈敏度同步測量，設(shè)計一種基于10通道32bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1262和STM32系列單片機的20通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合體散射函數(shù)測量的具體應(yīng)用需求及ADS1262自身的結(jié)構(gòu)功能特點，介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計，并對ADS1262的濾波模式、采樣速率進行實驗優(yōu)化選擇。實驗結(jié)果表明：ADS1262采用1200S/s、sinc3濾波模式配置時，完成20通道A/1]轉(zhuǎn)換頻率可達10Hz，ADS 1262有效位可達23 bits，單通道2.5S/s采樣速率，sinc4濾波模式下，有效位數(shù)可達26bits。整套系統(tǒng)具有高精度、低功耗、小體積、高可移植性等特點，適用于各種寬動態(tài)范圍模擬信號的量化處理及存儲。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);體散射函數(shù);ADS 1262; STM32;多通道

中圖分類號：TN911 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0112-06

收稿日期：2018-12-21;收到修改稿日期：2019-03-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41176083，41576030）;廣州市科技計劃重點項目（201707020023）;熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室自主研究項目（LTOZZ1602）

作者簡介：徐聰輝（1993-），男，黑龍江哈爾濱市人，碩士研究生，專業(yè)方向為海洋光學(xué)技術(shù)、光學(xué)儀器。

通信作者：李彩（1977-），女，甘肅白銀市人，研究員，博士，主要從事海洋光學(xué)技術(shù)、海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究。.

0 引言

海洋光學(xué)中，體散射函數(shù)是描述光在水體中某一散射體上散射光角度分布的一個重要的固有光學(xué)特性參數(shù)。利用體散射函數(shù)及吸收/衰減系數(shù)可以推算得到水體及其組分的所有特征性固有光學(xué)特性參數(shù)及遙感反射率。其在水色遙感[1]水下軍事目標(biāo)跟蹤[2]、生態(tài)系統(tǒng)建模及近海災(zāi)害的預(yù)警預(yù)告[3]等領(lǐng)域中有著重要的研究意義，體散射函數(shù)，尤其是覆蓋0°～180°范圍的廣角水體體散射函數(shù)測量是水體光學(xué)特性研究中一個十分棘手的國際難題，這主要歸因于散射光信號強的方向性[4]，能量主要集中在前向小角度，后向能量極其微弱，前后向不同角度甚至不同海區(qū)同一角度散射能量相差可達5個量級，其中90°～120°散射光能量最微弱，要求探測系統(tǒng)必須具備納瓦級微弱光信號探測能力。

目前對水體體散射函數(shù)的測量主要基于單一探測器機械轉(zhuǎn)動式和多探測器同步陣列式兩種測量方式[5]，轉(zhuǎn)動式測量技術(shù)基于單一光源、單一探測器，通過旋轉(zhuǎn)光源或探測器實現(xiàn)0°～180°范圍不同角度散射通量及體散射函數(shù)的測量，該測量方式雖具有較高的角度分辨率，但測量儀的重復(fù)性較差，測量頻率低，功耗較高，不適用于水下原位測量，陣列式探測技術(shù)基于在不同方向固定安裝探頭來實現(xiàn)不同角度光通量同步采集（即多通道測量），具有速度快、重復(fù)性和可靠性高等優(yōu)勢[2，6]。

本文在采用硅光電倍增管解決寬動態(tài)范圍微弱光高靈敏度探測的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款基于ADS1262和STM32單片機的多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)20通道模擬信號的高精度量化及實時存儲，數(shù)據(jù)可根據(jù)需要實時或后下載至上位機進行分析處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高、功耗低、適應(yīng)性強等優(yōu)點，可適用于各種精密儀器儀表及傳感系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件主要由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源穩(wěn)壓模塊、測量及供電控制模塊等核心功能模塊組成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為實現(xiàn)水體1001700范圍內(nèi)17個角度體散射通量、00透射（衰減系數(shù)）及I路光源參考光共19路光信號的快速同步測量，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用了兩片ADS1262支持20通道模擬信號的快速轉(zhuǎn)換。

為提高轉(zhuǎn)換精度，在ADS1262外圍電路設(shè)計中，將數(shù)字模擬信號區(qū)域完全獨立，對兩個區(qū)域做獨立的布線與隔離處理，在連接處大量地使用鉭電容做旁路以增強波紋抑制能力，對電源線和地線進行適當(dāng)加寬與敷銅處理，PCB布線時，盡量縮短高頻器件的連線長度以減少電磁干擾[7]。此外，由于ADC電源的穩(wěn)定性對輸出結(jié)果的精度有較大影響，采用了低輸出噪聲SV穩(wěn)壓芯片ADM7150ARDZ-5.0，在穩(wěn)壓器輸入與輸出端添加電容，提高電源輸出的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)采用嵌入式單片機STM32F103RE作為CPU[8]，其硬件上實現(xiàn)SPI、SDIO、I2C串行接口，方便與不同接口的外圍芯片及設(shè)備進行通信。STM32F103RE基于SPI控制ADS1262進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、實時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并對其整合分幀后快速存入MicroSD卡或通過RS232實時上傳至上位機，緩存入MicroSD卡的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要選擇上傳至上位機進行數(shù)據(jù)處理和分析，STM32F103RE與MicroSD卡之間采用SDIO通信模式，讀寫速度（2MB/S）為SPI模式的4倍以上。為增強數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可擴展性和通用型，基于STM32F103RE內(nèi)置的16通道12位ADC，采集系統(tǒng)預(yù)留了16路模擬輸入接口。為便于實時記錄儀器水下工作深度及水溫，系統(tǒng)設(shè)計了溫深度傳感器數(shù)據(jù)接口，可實時采集水溫和深度信息并進行分析和存儲。

供電控制通過STM32F103RE內(nèi)置的RTC時鐘控制實現(xiàn)，RTC內(nèi)部的備份寄存器BKP可記錄采樣時間、采樣間隔，可利用RTC時鐘的鬧鐘中斷控制通斷電。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)壓模塊可提供12V、5V，3.3V直流穩(wěn)壓輸出。

2 ADS1262結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換精度控制

2.1 主要控制寄存器及功能說明

圖2所示為ADS 1262內(nèi)部功能與主要引腳結(jié)構(gòu)。ADS1262含有21個8位工作寄存器，這些寄存可直接被讀寫，表1所列為ADS1216中寄存器地址及其功能。下面對ADS1262中幾個關(guān)鍵寄存器及其配置進行介紹[9-10]。

MODE1、MODE2寄存器。MODE1寄存器的高三位選擇ADS1262的濾波模式（5種：FIR，SIN1～SIN4），低四位選擇ADS1262的偏置電流及極性。MODE2寄存器高四位用于可編程放大器（PGA）設(shè)置。低四位設(shè)置ADC采樣速率（2.5S/s～38400S/s）。

OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]寄存器組。OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]用于ADS 1262偏移和滿量程校正，ADS 1262可根據(jù)OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]中的校正系數(shù)對數(shù)據(jù)進行自動校正。

INTERFACE寄存器。用戶通過配置INTERFACE寄存器中INTERFACE.2和INTERFACE.0位決定數(shù)據(jù)幀長度，即是否輸出STATUS狀態(tài)字節(jié)和CRC字節(jié)，數(shù)據(jù)幀最長為6字節(jié)，最短為4字節(jié)，STATUS字節(jié)包含當(dāng)前輸出數(shù)據(jù)是否曾被讀取，PGA輸出是否溢出，ADC復(fù)位狀態(tài)等重要信息。

2.2 ADS1262濾波模式、采樣速率選擇

多通道數(shù)據(jù)采集模式下，通道切換的建立時間對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率有較大影響，這一建立時間與ADS 1262的濾波模式、采樣速率、斬波自穩(wěn)0模式（chop模式，自校正失調(diào)電壓）密切相關(guān)，ADS1262濾波階數(shù)增加，采樣速率的降低、斬波自穩(wěn)0模式的開啟可增強去噪能力，但會導(dǎo)致通道建立時間增加。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于自主研發(fā)廣角水體體散射函數(shù)測量儀需求設(shè)計[11]。為實現(xiàn)多角度體散射函數(shù)的快速測量，測量頻率應(yīng)不低于10Hz，即對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出速率為190S/s（一組數(shù)據(jù)包含19個通道的數(shù)據(jù)）。為同時滿足A/D轉(zhuǎn)換精度（≤1μV）和轉(zhuǎn)換速率（≥190S/s），設(shè)置不同采樣速率、濾波模式及自穩(wěn)0模式開關(guān)，利用STM32內(nèi)部Systick時鐘計時，通過串口接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實際輸出速率，對滿足數(shù)據(jù)輸出速率大于190S/s的不同配置情況進行統(tǒng)計，得到5種可滿足應(yīng)用需求的模式組合方式。以實驗室高精度穩(wěn)壓電源（準(zhǔn)確度10叮）作為模擬輸入，利用高精度萬用表（準(zhǔn)確度0.1μV）作為同步監(jiān)控，統(tǒng)計不同模式配置情況、不同輸入電壓下A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差并進行線性擬合。

由圖3可看出，在滿足頻率要求的前提下，當(dāng)濾波模式選擇sinc3、A/D采樣率設(shè)置為1200S/s且開啟斬波自穩(wěn)0模式時，輸出數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，r²也最接近1。根據(jù)單極性0輸入下（輸入電壓為0表示模擬輸入對地短接）的數(shù)據(jù)結(jié)果進行計算[12-13]，該配置情況下ADS1262的有效位可達23bits，單通道2.5S/s采樣速率，sinc4濾波模式下，有效位數(shù)可達26bits。有效位數(shù)的判定是以連續(xù)15次ADC輸出值的最大誤差△計算[13]（A為輸出值的最大值與最小值之差，根據(jù)2^n-1-1≤△≤2^n-1求解n）計算公式為

2.3 ADS1262校正

由于不同角度散射光輻射能量相差很大，不同通道測量時需設(shè)置不同的PGA增益系數(shù)，需要對兩片ADS1262在不同PGA增益情況下分別進行校正。校正過程中，首先將ADS1262輸入引腳分別進行浮空和對地短接設(shè)置，通過單片機向ADS1262發(fā)送對應(yīng)的偏置誤差校正命令，經(jīng)內(nèi)部16次測量自動平均后，起始偏移誤差被寫入寄存器OFCAL[2：0]中。對于增益系數(shù)校正，以PGA=1為例，在偏移誤差校正后，將ADS1262的PGA增益設(shè)置為1，利用高精度穩(wěn)壓電源，向ADS1262的模擬輸入端輸入滿量程電壓2.5V（FSR=UREF/PGA_GAIN，V_REF=2.5V，PGA_GAIN=1），但受穩(wěn)壓電源輸出精度和可調(diào)節(jié)的最小步長限制，穩(wěn)壓電源輸出只能達到2.49984V（或2.50083V）。根據(jù)ADS1262增益誤差校正的原理，對真實增益參數(shù)進行了理論估計，讀出以2.49984V為滿量程時ADS1262自校正后的FSCAL[2：0]寄存器中白雛偽0x3FF451，則FSCAL[2：0]中的增益參數(shù)可表達為：

FSCAL[2：0]=0X3FF451×2.49984/2.5=3FF344（2）

最終的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量將根據(jù)OFCAL[2：0]和FSCAL[2：0]這兩組校正寄存器中的值自動進行校正，公式表達為：

對比校正前與校正后ADS1262轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的誤差，得到圖4所示的結(jié)果，校正后的結(jié)果比較理想。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

以數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)在自主研發(fā)的廣角水體體散射函數(shù)剖面測量系統(tǒng)中應(yīng)用為例，根據(jù)體散射函數(shù)剖面測量儀的工作性能要求，軟件系統(tǒng)需要配合硬件完成以下功能：

1）支持儀器自動采樣與手動采樣兩種模式。手動采樣模式主要用于實驗室內(nèi)儀器定標(biāo)和性能測試;自動采樣模式主要用于儀器剖面測量。自動和手動模式在開機后通過判斷預(yù)定時間段內(nèi)是否接收到相關(guān)指令為依據(jù)。

2）儀器具有入水下放過程自動采樣自容存儲、上提自動斷電功能，避免有限電能及存儲空間浪費的同時也可以確保存儲數(shù)據(jù)的有效性，減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。

基于以上要求，設(shè)計如圖5所示的軟件工作流程。圖中，CPU上電進行初始化后進入等待延時程序，若在3min內(nèi)沒有接收到上位機的手動測量指令，儀器將進入到自動采樣模式，兩片ADS1262（分別用ADC1、ADC2區(qū)分，ADC1用來測量0°～90°透射光與散射光通量，ADC2用來測量10001700散射光及1路光源參考光）的RESET/PWDN引腳被置高使ADS1262進入PowerOn狀態(tài)，拉低ADC1的CS引腳對其選通進行內(nèi)部控制寄存器配置，具體包括：輸入通道、PGA、采樣速率、濾波模式與自穩(wěn)。模式等。配置成功后，將ADC I的START腳置高，啟動A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC1完成一次轉(zhuǎn)換后DRDY引腳自動置低，在外部中斷函數(shù)中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀取，切換測量通道并重新設(shè)置PGA重復(fù)上述A/D轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)ADC I完成10個通道轉(zhuǎn)換后，對ADC2進行片選、寄存器配置、不同通道A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取，如此循環(huán)，完成19路信息的快速轉(zhuǎn)換。

STM32F103RE采用雙緩沖數(shù)組的方式對數(shù)據(jù)進行緩存，當(dāng)采樣數(shù)達到5組時相關(guān)標(biāo)志位置位，程序進入到主函數(shù)，標(biāo)志位清零，對數(shù)據(jù)進行存儲。軟件設(shè)計中采用基于FATFS文件系統(tǒng)的SDIO模式將數(shù)據(jù)以二進制的形式快速存儲MicroSD卡中，最大限度提高數(shù)據(jù)的讀寫速率。

自動采樣模式下，儀器的采樣依據(jù)深度信息進行自動控制，采集系統(tǒng)初始化完畢后進行深度信息采集，當(dāng)深度大于預(yù)定值（0.5m，保證儀器完全沒人水中），儀器啟動采樣，當(dāng)采樣數(shù)達到五組后，在主函數(shù)中對深度信息進行采集并判斷儀器所處的狀態(tài)，若 STM32F103RE判斷到儀器處于上提回收過程時，其內(nèi)置時鐘中斷生效，控制儀器自動斷電。

4 采集系統(tǒng)測試

4.1 功耗測試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ADM7150RDZ-5.0穩(wěn)壓芯片為ADS1262的模擬電源提供5V輸入，采用LT3080穩(wěn)壓芯片STM32和ADS1262提供3.3V數(shù)字電源輸入。5V輸入電壓，工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平均功耗約為355mW。

4.2 誤差測試

配合高精度穩(wěn)壓電源與高精度萬用表（讀數(shù)取6位，最高精度6位半），將轉(zhuǎn)換結(jié)果（AI）轉(zhuǎn)換結(jié)果為5次測量結(jié)果的均值）與輸入電壓進行比較，測量誤差為微伏級別，輸入電壓在100mV-2 V時，測量誤差一般小于1μV，滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度測量要求（動態(tài)范圍達到5個量級以上），表2表示采集系統(tǒng)測量的誤差結(jié)果。

5 結(jié)束語

基于ADS1262和STM32設(shè)計的高精度多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)20路模擬信號的高精度實時采集量化及自容式存儲，數(shù)據(jù)可根據(jù)需要實時或后下載至上位機進行分析和處理。系統(tǒng)具有多通道、低功耗、高精度等特點，采樣頻率、精度及通道數(shù)均可根據(jù)需要進行靈活的配置和優(yōu)化，采集卡接口豐富，所設(shè)計的控制軟件對所有STM32系列單片機均具有較高的移植性，系統(tǒng)功能易于拓展，可適用于各種要求寬動態(tài)范圍模擬信號的量化處理及存儲系統(tǒng)，具有很好的擴展性和廣泛的適用性。

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（編輯：劉楊）