四通道数据采集系统

四通道数据采集系统

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学号：113110000918

摘要：数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，一个数据采集系统通常是由数据采集、信号调理、数据转换以及存储等4个主要部分组成。本文主要研究了一种基于AD7934-6的数据采集系统的整体实现，具体包括信号调理电路设计、ADC外围电路设计及ADC驱动设计。设计了信号调理电路，高性能的信号调理电路是实现良好测量精度的重要条件，合理且简单的数据采集前端处理既是对硬件电路的简化，提高硬件系统可靠性，也简化处理器软设计、减小软件处理时间。给出了ADC驱动时序，处理器对ADC的合理驱动使ADC在合理的时序工作，确保ADC转换的可靠性。

关键字：数据采集、调理电路、ADC驱动

1本文完成的工作

在查阅了相关数据采集系统文献的基础上，本文设计了信号调理电路、ADC 外围电路以及CPU对ADC的驱动逻辑。基本完整地设计了一种基于AD7934-6的数据采集系统的硬件电路原理图及软件驱动。

2 硬件原理图设计

2.1 信号调理电路

数据采集前端信号调理电路就是在数模转换前对信号调理的过程。送入数据采集系统的模拟信号经过传感器转换成电信号，电信号必须经过合理的信号调理电路才能达到较好的测量精度，而合理的数据采集前端处理结构能简化电路，降低实现难度，保证系统的可靠运行。信号调理电路就是从信号输入到ADC转换之间的模拟电路，包括输入电路、前置放大器、电源电路等。

本数据采集系统需对压力传感器输出的标准4~20mA电流进行采样。系统中电流采样是通过采样电阻将小电流信号转换成电压信号并且经过调理电路后进行采样。由于电流信号是通过AD7934-6模数转换器来完成，当参考电平设置为2.5V时，ADC采样口只能输入0~2.5V电压，所以调理电路输出应该不大于2.5V。本系统所设计的调理电路由单个运算放大器构成。本系统的采样电阻选择100Ω电阻，运算放大器选择的是LM358，其内部包含两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器。调理电压输出经过低通无源滤波输出，考虑到传感器输出频率<1kHz，滤波频率选择略大于1kHz。电流采样调理电路设计如图2.1所示。

图2.1 电流采样调理电路

图2.1中1R 为采样电阻，将压力传感器输出的电流信号转化成电压信号。调理电路主要由运算放大器组成。运算放大器的输出公式可以表示为（2.1）式。

010IN V R I （2.1）

由式（2.1）可知只要选取适当R 1的阻值就能得到所需要的调理电压。在实

际的系统中，选取了R 1=100Ω，这样输出电压就为0.4V~2V 。选取滤波电阻R 2=1k Ω，滤波电容C 5=100nF ，则滤波频率约1.6kHz 。

2.2 ADC 外围电路

随着现代科学技术的发展，微控制器（Micro Control Unit ，简称MCU ）已经成为信号处理非常重要的组成部分。但是数字系统只能处理输入的数字信号，因而在检测电路与微机之间需要增加模数转换器（Analog to Digital Converter ，简称ADC ），将电压模拟量转换成可供微机处理的数字量。本文采用的模数转换器为Analog 公司的AD7934-6芯片，AD7934-6是一款12位、高速、低功耗、逐次逼近型（SAR ）模数转换器（ADC ），采用2.7 V 至5.25 V 单电源供电，最高吞吐量达625 kSPS 。该器件内置一个低噪声、宽带宽、差分采样保持放大器，可处理最高达50 MHz 的输入频率。ADC 外围电路设计主要是对ADC 供电的设计以及ADC 与微机的接口设计。ADC 外围电路设计如图2.2所示。

图2.2 ADC外围电路

根据AD7934-6数据手册，VDD为芯片电源引脚，供电要求为2.7V~5.25V，本文设计供电电源为3.3V；DRIVE为逻辑电平控制引脚，电平应接近芯片电源，本文设计该电平与VDD相等，为3.3V；AGND和DGND分别是模拟地和数字地，根据数据手册可将两者共地；由于设计使用片上 2.5V基准电压，V REFIN/V REFOUT引脚经470nF电容接模拟地；CLK引脚接时钟电路输出；VIN0~VIN3为ADC模拟信号输入引脚，接4路调理电路输出；CS、WR、RD、CONVST、/

W B引脚作为控制引脚接CPU输出口；BUSY引脚作为中断信号接入CPU；DB11~DB0为数据/控制位，接CPU输入输出复用接口。

2.3 CPU与ADC接口电路

微控制器是数字信号处理系统的核心部分，主要实现对外设器件（本文为ADC）的驱动功能、与外设器件的输入输出交互功能以及对输入的数字量进行处理存储功能等。本文设计的CPU与ADC接口电路仅是CPU对ADC的驱动

接口电路以及输入输出接口电路。图2.3为CPU与ADC接口电路。

图2.3 CPU与ADC接口电路

2.4 电源电路

电源电路是给芯片提供电源的驱动电路，合理的电源电路是芯片正常运行的必要条件。本文设计的电源电路仅是针对AD7934-6的供电电源，未考虑CPU 供电。所采用的是LM117芯片，LM1117芯片是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，其使用简单，线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。图2.5为电源电路。

图2.4 电源电路

2.5 ADC时钟电路

ADC转换的过程是基于时钟驱动的，时钟信号的完整性，直接影响到ADC 转换起始时间。ADC采样速率越来越快、精度越来越高的情况下，由时钟带来的转换误差，在整个系统中占的比重也越来越大。良好的时钟设计是保证高精度、高速数据采集的关键。针对AD7934-6模数转换器，设计10MHz的时钟电路，本文选择台湾红星公司的HXO-36B10.000MHZ晶振。所设计的有源晶振电路如

图2.5所示。

图2.5 ADC时钟电路

3软件驱动程序设计

AD7934-6具有4个带通道序列器的模拟输入通道，可以通过预先编程选择通道转换顺序。该器件可接受单端、全差分或伪差分模拟输入。数据采集和转换过程均通过标准控制输入进行控制，使器件与微处理器和DSP可实现轻松接口。输入信号在CONVST的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动。AD7934-6内置一个精确的2.5 V片内基准电压源，可用作模数转换的基准电压源。或者，也可以在此引脚加载一个外部基准，为其提供基准电压。基准电压控制由DB8位控制，本文控制DB8为1，即选用内部基准电平。

AD7934-6采用先进的设计技术，可在高吞吐量的情况下实现极低的功耗，还提供灵活的功耗管理选项。利用一个片内控制寄存器，用户可以设置不同的工作条件，包括模拟输入范围和配置、输出编码、功耗管理及通道序列化。

ADC的正确转换输出需要特定的控制电平驱动，其驱动电平由CPU输入输出引脚提供。由于未指定CPU型号，本文所设计的驱动程序是基于一般处理器的伪代码

．．．。

3.1 现对CPU引脚和变量作如下说明：

（1）CTRL：CPU第17、16、15、14、13引脚地址寄存器，这些位分别

W B位；

连接AD7934-6的CS、WR、RD、CONVST、/

（2）DATA：CPU第11~0引脚地址寄存器，分别对应AD7934-6的DB11~DB0位；

（3）DATAIN：输入值数组，全局变量（12位）；

（4）F[4] ：压力值，浮点型，

（5）DATAOUT：输出值，全局变量（12位）;