一种智能数据采集卡设计方案.docx

PAGE 1 PAGE 1 一种智能数据采集卡设计方案 引言 数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现敏捷的、用户自定义的测量系统。数据采集，又称数据猎取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统依据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。  以运算速度更快，位数更宽，资源更为丰富的ARM处理器作为掌握，协作USB 2.0数据传输和敏捷的上位机软件，新一代的数据采集卡已经不再局限于单一的板卡形式，可以通过连接线独立于计算机之外，依据测试任务的需求，满意高精度、高速率、多功能的测试指标。  1 系统原理及框图  整个系统的组成框图如图1所示。被测电压信号经过前置调理送到AD7685进行采样，由 Atmega48的SPI驱动AD7685，采集到的双字节（16 b）数据由Atmega48并口，分两次传送给ARM ADuC7026。当数据采集卡工作于联机状态时，由PC上位机软件设置采样频率和通道工作模式，经过处理通过USB掌握芯片CH375送数据到PC端；当数据采集卡工作于离线模式时，无需PC上位机干预，数据采集卡根据预先设定的采样频率和工作模式进行采样。并将采样数据通过USB掌握芯片CH375送数据到U盘端。系统采纳±9 V，+5 V，+3.3 V以及模拟地数字地，并由DC／DC模块产生，经过良好的LC滤波为各个电路单元供应电力。人机接口（HMI）采纳简洁的双按键和LED指示，人机接口是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，这些设备包括键盘、显示器、打印机、鼠标器等。   2 数据采集卡的硬件实现  2.1 ADC接口和信号调理电路  为了满意较高的采集精度和采样速率，该设计选择AD7685作为模拟／数字转换器件。AD7685是一款16位、串行输出、250 KSPS、电荷再安排、逐次靠近型 （PulSAR）ADC。  前置调理电路信号的流向参见图1系统组成框图。设计中，采纳模拟开关ADG1024对输入信号进行切换，并通过可编程增益放大器（PGA）AD8251进行处理，通过增益为0.2的电平转换16位ADC驱动器AD8275，把±5 V的信号转换成 0.25～2.25 V的信号，极大地扩展了该数据采集卡的测量范围，而简化了前置调理电路的设计，其电压计算公式如下：   经过前置调理电路使得不同量程范围的输入信号放大或衰减到0.25～2.5 V内，限度地利用ADC量程，使得采集系统的4个输入通道可以有单通道、双通道、四通道3种工作模式，且每个通道皆可以设置为任意量程。前置通道的相应配置由处理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。   2.2 EMC措施  电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的力量。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过肯定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有肯定程度的抗扰度，即电磁敏感性。  该设计采纳外置9 V开关型稳压电源或USB端口供电，由于开关电源的低成本和高功率密度，普遍被现代电子系统设计所采纳，但其带来的电磁干扰（EMI）问题也不容忽视。同时，ARM7主频高达45 MHz，必需考虑其EMI问题。该设计尽量选取低噪声的放大器和ADC，遵循短路径的布线原则，确保前置通道具有较低的噪声水平。设计中，采纳数字地／模拟地分区覆铜，并一点接地的布线方式，避开电源和数字部分对模拟地电位产生浮动和干扰。  2.3 USB接口  该设计使用USB掌握芯片CH375，内置海量存储固件，既可以作为USB设备方式向PC上位机传送数据，又可以作为USB主机，将数据存入U盘中。该芯片支持USB 2.0通信协议，在并口工作模式下能同时支持主机方式和设备方式。为了保证USB高速传输数据的稳定性和完整性，实行如下措施：  （1）采纳USB屏蔽线作为连接线，保证数据传输不受外