實用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

葉德云，鐘漍標(biāo)

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510635；2.廣東宏大欣電子科技有限公司，廣東廣州，510000）

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是指將生產(chǎn)或生活中需要對其進行監(jiān)視或者檢測的各種傳感器和其它待測設(shè)備的信號（包括模擬信號或數(shù)字信號），按照一定的時間間隔進行采集，并通過信號調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)變成計算機所能識別的數(shù)據(jù)形式存儲于計算機中的過程。

一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器、數(shù)據(jù)信號處理、抗干擾與電磁兼容等多項技術(shù)，在不同的應(yīng)用場景或不同類型的傳感器，又會用到不同的技術(shù)。

本文以實用的典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，分析其關(guān)鍵技術(shù)，其中可編程增益調(diào)節(jié)技術(shù)（PGA）和數(shù)字濾波等是很多數(shù)據(jù)采集文獻中比較少提及而又非常有用的關(guān)鍵技術(shù)。

1 實用的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，本系統(tǒng)采用模擬多路開關(guān)（MUX）使來自多個傳感器的信號分時復(fù)用同一硬件電路（PGA,S/H,和ADC），數(shù)據(jù)經(jīng)ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入微處理器進行處理和存儲后再由DAC 進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出控制不同的器件[1～3]。

圖1 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的特點是硬件電路相對完整而簡單，能進行多通道的數(shù)據(jù)采集與控制，配合軟件編程性能穩(wěn)定可靠。

2 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 信號調(diào)理技術(shù)

因在工程中傳感器輸出的電信號常常比較微弱，且在實際傳感器的信號采集中，被采集信號包含了傳感器輸出測量信號和各種噪聲，如何把信號進一步放大或者進行阻抗變換以及從含有噪聲的信號中分離出傳感器的實際測量信號從而提高信噪比，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項重要任務(wù)。為了有效區(qū)別傳感器的測量信號與測量噪聲，傳感器測量信號需要被特定頻率的正弦信號調(diào)制。傳感器測量信號經(jīng)過調(diào)制、放大、與噪聲分離、解調(diào)等處理后，得到傳感器所要傳遞的真實信號[4～5]。

以AD598 典型信號調(diào)理芯片為例，這是一種基于LVDT位移傳感器和差動變壓器的相敏解調(diào)器，如圖2 所示，它既能檢測幅度的大小，又能反映相位。

圖2 基于LVDT 位移傳感器和差動變壓器的相敏解調(diào)器原理圖

2.2 PGA(可編程增益放大器)

為提高 A/D 的精度, 應(yīng)使被轉(zhuǎn)換信號落在 A/D 的線性區(qū)間之內(nèi), 并盡可能使模擬輸入量在 1/2VREF～VREF之間。解決這個問題的方法, 就是對弱信號, 采用高的放大倍數(shù); 對強信號, 采用低的放大倍數(shù), 并根據(jù)輸入信號的量值自動選擇合適的增益或衰減倍數(shù)。

為最大限度滿足A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程要求，需要設(shè)置放大倍數(shù)可以根據(jù)需要用程序進行控制的可編程增益放大器，以對不同通道輸入的電壓信號分別設(shè)置增益, 使每一個通道輸出的信號正好在本芯片采集所需要的信號范圍內(nèi)，從而提高測量精度。例如AD526 芯片就是一款單端、單芯片軟件可編程增益放大器，可分別可以設(shè)置1、2、4、8、16 倍的放大增益來調(diào)整不同的電壓信號，兩片級聯(lián)后可擴大到32、64、128 和256 倍增益，如圖3 所示。

表1 邏輯輸入真值表

圖3 AD526 芯片功能示意圖

2.3 采樣保持(samling & hold)電路

ADC 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時間TC 取決于取件的轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換位數(shù)等。如果在ADC 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的模擬信號仍在變化，此時進行量化，會帶來影響（造成誤差）[8]。

為了避免這種影響，通常在ADC 前加一個采樣保持器SHA。相當(dāng)于在Tc 內(nèi)開了一個很窄的“窗孔”，將此窗孔開啟瞬時內(nèi)的模擬信號快速采樣進來，這個時間稱為孔徑 時 間（aperture time）Ta。通常Ta＜Tc ，如果Tc內(nèi)，模擬信號的變化仍不能忽略，這時帶來的誤差稱孔徑誤差，如圖4 所示。

一是將紅色文化融入課程設(shè)計。我軍紅色文化內(nèi)涵豐富、源遠流長。比如井岡山精神、長征精神、延安精神、雷鋒精神、“兩彈一星”精神等，其價值不僅體現(xiàn)在當(dāng)時當(dāng)?shù)?，更重要的是對社會進步和軍隊發(fā)展能夠產(chǎn)生積極影響。課程是院校教育的重要載體，將豐富的紅色文化融入課程設(shè)計之中，推動紅色文化課程化，對于軍隊院校文化建設(shè)及我軍紅色基因的傳承，都具有重要意義。

圖4 孔徑誤差示意圖

如圖5(a)所示，采樣保持器的作用是在跟蹤模式下（開關(guān)閉合）保持電容上的電壓跟隨（或跟蹤）輸入信號，在保持模式下（開關(guān)斷開）電容保持與輸入緩沖器斷開連接之前的電壓。圖5(b)是實際應(yīng)用中典型的集成采樣保持器LF398，當(dāng)控制邏輯（引腳8）輸入高電平時，相當(dāng)于開關(guān)S 閉合，輸出電壓跟隨；當(dāng)控制邏輯（引腳8）輸入低電平時，相當(dāng)于開關(guān)S 斷開，輸出電壓保持不變。

需要注意的是采用保持器的保持電容比較特別，這里有兩點要注意，一是其大小與采樣頻率和所要求的精度有關(guān)，若采樣頻率較低、采樣精度要求較高時得選較大的保持電容；二是因不同的電容材料具有不同的電介質(zhì)吸收量，而采樣電容要采用泄漏小的低電介質(zhì)吸收的器件，因此，采樣電容通常選取聚苯乙烯或聚丙烯電容。

圖5 采樣保持電路

2.4 高速ADC

轉(zhuǎn)換過程就是將未知的模擬輸入Vi 與一個DAC 產(chǎn)生的準(zhǔn)確電壓Vo 進行比較。如果Vo＞Vi，說明數(shù)字過大了，則將最高位的1 變?yōu)?；如果Vo＜Vi，說明這個數(shù)字不夠大，則這個高位的1 保留。

然后，再按同樣的方法將次高位置1，并比較Vo 與Vi的大小以確定次高位的1 是否保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時寄存器里所存的數(shù)據(jù)就是所要輸出的數(shù)字量。整個轉(zhuǎn)換過程需要的比較次數(shù)為ADC 的位數(shù)，比如12 位ADC 就需要比較12 次，如圖6 所示。

圖6 高速ADC 工作原理

2.5 信號采集理論

信號采集的理論依據(jù)是采樣定理，即采樣頻率需大于信號中的最高頻率的2 倍（fs＞2fm），這樣采樣后的數(shù)字信號才能完整保留原始信號的信息。實際應(yīng)用中非高速系統(tǒng)采樣頻率為信號最高頻率的2.56～4 倍。其中，最小采樣頻率fs =2fm 稱為奈奎斯特（Nyquist）頻率，奈奎斯特的一半稱為折疊頻率。如果采用頻率低于奈奎斯特頻率，會產(chǎn)生混疊（Aliasing) 。為了避免混疊，采樣前對信號進行濾波，濾除f＞fm 的高頻成分。

信號采樣的方式有分為變換采樣和實時采樣。實時采樣是在滿足Nyquist 采樣定理前提下按時間的順序進行的等間隔取樣；變換采樣（等效時間采樣）則是采用多次采樣，即在每一個重復(fù)周期內(nèi)等效時間只采集少量的信息，然后逐漸積累形成，也就是對采樣的信號按照某種算法進行波形的重構(gòu)之后進行波形顯示的采樣方式，應(yīng)用于高頻的重復(fù)周期信號的采樣。

基于實時采樣的時間交替并行采樣技術(shù)，是目前中高速信號采集領(lǐng)域提升采樣速率的主要方式，其具體的實現(xiàn)是使用相同頻率但不同相位的采樣時鐘驅(qū)動各個ADC，讓相同的模擬信號同時到達各個ADC 進行數(shù)據(jù)的采樣，然后將各ADC 的采樣數(shù)據(jù)進行拼合重構(gòu)，從而實現(xiàn)對信號的 “時間交替”采樣的目的。

2.6 數(shù)字濾波（LPF）

圖7 數(shù)字濾波的基本原理

如圖7 所示，顯然：

因此可得：

2.7 抗干擾，常用的抗干擾的措施

(1)在每個集成芯片的電源引腳接一或多個小電容，以減少此芯片對電源的影響。電容的布線應(yīng)盡量短粗且靠近電源端，以免因連線阻抗增大電容的串聯(lián)電阻，影響濾波的效果。(2)任何線路布線的過程中都要避免90°的折線，減少尖端引起的高頻噪聲。(3)將強電與弱電信號分隔開，模擬和數(shù)字部分信號分隔開。(4)在傳輸路徑中合理添加抗干擾元器件，比如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器以及屏蔽罩等。(5)減少回路面積，降低感應(yīng)噪聲。(6)電源線和地線要盡可能的粗，可以降低電路的耦合噪聲。(7)敏感器件沒有使用的I/O 管腳，除非有明確說明，不然盡量接地或者接電源不要懸空。(8)在頻率達標(biāo)的前提下，盡量降低電路時鐘頻率。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

3.1 軟硬件設(shè)計的基本原則

（1）經(jīng)濟合理。如在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，盡可能考慮在滿足性能指標(biāo)的前提下能用軟件實現(xiàn)的盡量用軟件且采用較簡單硬件和價低方案， 軟件設(shè)計在模塊化同時要求操作性好、使用方便和執(zhí)行速度高。

（2）安全可靠。在硬件選購方面，要考慮在日常和特定工作環(huán)境下系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠工作，且要有超量程和過載保護，保證輸入、輸出通道的正常工作，還要注意對交流市電和電火花等的隔離和保證連接件的接觸可靠；軟件方面應(yīng)設(shè)計一定的系統(tǒng)檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數(shù)，要定時存儲，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。

（3）有足夠的抗干擾能力。如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，正確接地、高輸入阻抗下的防止漏電等。

3.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)的確定

（1）通道數(shù)：根據(jù)采集被測量量的要求來確定；（2）采樣頻率：根據(jù)被測量的頻率范圍同時滿足采樣定理來確定采樣頻率；（3）位寬：按照規(guī)定的量化信噪比和分辨力來確定數(shù)據(jù)采集器的位寬。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理器配置方案

（1）處理器的選擇：可采用DSP 芯片、單片微型機、單板機、標(biāo)準(zhǔn)功能模板、可編程控制器或個人微型計算機等。

（2）A/D 通道的配置：根據(jù)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)指標(biāo)確定模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，同時還要注意以下幾點：

①滿足工作條件和環(huán)境的要求，例如抗沖擊性，耐高溫、耐腐蝕性和抗電磁干擾等；②滿足完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間和被采集信號的分辨力；③滿足模擬信號的輸入范圍，并留有1.2～1.5 的過負(fù)荷量；④明確模擬輸入信號的特性，根據(jù)信號的最高頻率，正確配置抗混濾波器；⑤保證測量的準(zhǔn)確度（考慮線性度、頻率響應(yīng)特性、增益和偏置誤差等）；⑥對各通道模擬信號的采集是否要求同步。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)趨勢

完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及的軟硬件知識比較多，結(jié)構(gòu)大同小異，目前工程上應(yīng)用的原則軟硬并舉，且能用軟件實現(xiàn)的盡量用軟件，以簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。同時，隨著智能計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為滿足不同環(huán)境的采集需求，數(shù)據(jù)采集技術(shù)正在向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。