高分辨率電壓與電流快速數(shù)據(jù)采集方法

袁嘉琦

摘要：高分辨率電壓與電流的快速數(shù)據(jù)采集方法使用專用主控芯片與硬件抗干擾設(shè)計(jì)，通過(guò)合理、科學(xué)的軟件設(shè)計(jì)，不僅提高了測(cè)量精度，而且采集速度和分辨率都提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

關(guān)鍵詞：高分辨率電壓電流數(shù)據(jù)采集；精度；速度

在一個(gè)測(cè)量與控制系統(tǒng)中，各種非電量大都要通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓與電流信號(hào)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，讀入到智能測(cè)量、分析或控制儀器儀表中進(jìn)行處理。因此，電壓與電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集方法是各種智能化儀器儀表的構(gòu)成基礎(chǔ)之一。

一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最早出現(xiàn)在世紀(jì)年代，出現(xiàn)了用于軍事領(lǐng)域的測(cè)試裝置自動(dòng)完成測(cè)試任務(wù)的數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)，其采集速度和靈活性都較好，因此獲得高度評(píng)價(jià)。在20世紀(jì)60年代后期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也只是應(yīng)用在某些特定場(chǎng)合。隨著單片機(jī)和微處理器等集成電路的出現(xiàn)，及計(jì)算機(jī)開(kāi)始普遍使用時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才開(kāi)始了普遍發(fā)展。由科學(xué)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展庭勢(shì)由低速率、低分辨率向高速率、高分辨率發(fā)展。

ADC作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心之一，國(guó)內(nèi)外許多公司都投入了大量資金用于ADC的發(fā)展。目前國(guó)外公司在高速數(shù)據(jù)采集研發(fā)及應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平，它們的產(chǎn)品性能好，技術(shù)水平高，價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)高速數(shù)據(jù)采集相關(guān)市場(chǎng)具有壟斷地位。而國(guó)內(nèi)公司在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域還處于發(fā)展階段。國(guó)內(nèi)研發(fā)的產(chǎn)品采樣率低，帶寬也相對(duì)較窄。目前，在國(guó)內(nèi)高校中，電子科技大學(xué)走在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的前列，其研制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最高采樣率可達(dá)到4GSPS。

總之，國(guó)外公司幾乎壟斷了高速數(shù)據(jù)采集巧關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)，并且掌握了高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域與國(guó)外差距還較大，在今后較長(zhǎng)時(shí)間需要投入到高速數(shù)據(jù)采集的研究。

現(xiàn)今，STM內(nèi)嵌式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，綜合了硬件和軟件，在時(shí)序控制和邏輯運(yùn)算等方面不斷提升，為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供核心支撐。內(nèi)嵌式處理器不僅集成度高、開(kāi)發(fā)周期短、具有強(qiáng)大的系統(tǒng)移植性，而且實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘速率性能、低功耗、高速I/O、容量和可靠性的完美平衡。

二、高分辨率電壓與電流快速數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片的選擇

主控制芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)模塊的工作，選擇合適的微處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。不同系統(tǒng)所要完成的工作不同，對(duì)微處理器的要求也不盡相同。針對(duì)具體的系統(tǒng)所要選擇合適的微處理器主要從以下五個(gè)方面考慮：1）微處理器的數(shù)據(jù)處理能力足夠強(qiáng)大以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的要求；2）外設(shè)接口和存儲(chǔ)容量足夠系統(tǒng)使用；3）使用的微處理器具有廣泛的使用用戶，便于解決遇到的問(wèn)題；4）微處理器的功耗應(yīng)盡可能的低；5）鑒于整個(gè)系統(tǒng)的低成本要求，選擇的微處理器價(jià)格不能太高。

2.2數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程

上圖中的兩個(gè)模擬輸入端口分別為電壓和電流的測(cè)量輸入端。實(shí)際使用中電壓輸入通道使用分壓器或電壓互感器，電流輸入通道使用分流器或電流互感器?？梢约尤胍恍┳枞轂V波環(huán)節(jié)和量程變換電路，以提高電路的量程和抗干擾能力。

測(cè)量結(jié)果存放在電壓電流瞬時(shí)值與有效值寄存器中，通過(guò)SPI串行口（SDO、SDI、SCLK）和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，/CS為片選信號(hào)，寄存器數(shù)據(jù)從SDO端輸出，命令字和寫入寄存器的數(shù)據(jù)從SDI端輸入，SCLK端提供通信時(shí)鐘信號(hào)。進(jìn)入單片機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理可以在顯示單元顯示，也可以從單片機(jī)的串行口送到更高一級(jí)的處理器（如PC機(jī)等），使得數(shù)據(jù)的共享性更好。

2.3硬件抗干擾設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件抗干擾部分主要釆用了隔離技術(shù)、接地抗干擾技術(shù)和硬件濾波軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。

隔離技術(shù)主要用在繼電保護(hù)單元，采用數(shù)字光稱來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入端和輸出端電的隔離，減小前后級(jí)之間的電氣干擾。

接地抗干擾的目的在于消除公共地線阻抗所產(chǎn)生的公共阻抗稱合，避免硬件受磁場(chǎng)和電位差的影響，防止形成地電流環(huán)路與其它電路產(chǎn)生磁親合干擾。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)工作頻率低于時(shí)，采用單點(diǎn)接地，高于時(shí)應(yīng)釆用多點(diǎn)接地。在之間，如采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的一半，否則應(yīng)釆用多點(diǎn)接地。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)有最高工作頻率，所以抗接地抗干擾設(shè)計(jì)采用單點(diǎn)接地的方法，個(gè)別模塊采用多點(diǎn)接地的方法。

硬件濾波方法是工業(yè)設(shè)備最常用的一種抗干擾手段，主要起到電源的濾波和穩(wěn)壓作用：1）從線性電源穩(wěn)壓得到的電壓信號(hào)紋波一般比較大，并且高頻和低頻諧波都十分豐富，從線性電源穩(wěn)壓得到的電壓信號(hào)采用一個(gè)和一個(gè)片電容并聯(lián)的方式濾波基本上可以得到十分平穩(wěn)的電源電壓信號(hào)；2）微處理器的供電電壓不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)異常情況。所以微處理器供電電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)電路上的非線性器件時(shí)額外加上一個(gè)小電容濾波，可以保證微處理器供電電壓的穩(wěn)定，使其在運(yùn)行過(guò)程中不易出現(xiàn)故障。

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所處的環(huán)境可能十分惡劣，周圍的干擾也可能比較大，產(chǎn)生的電壓小信號(hào)會(huì)攜帶著大量的紋波，因此，在進(jìn)行采樣之前必須對(duì)電壓小信號(hào)濾波，由于采樣器的輸入電阻比較大，所以每個(gè)釆樣通路都釆用濾波效果更好的一階濾波。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)主要采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度值和壓力百分比）一方面要能夠?qū)崟r(shí)顯示，另一方面還要能夠有效的存儲(chǔ)。作為一個(gè)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控作用的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)，其中一個(gè)重要的功能是能夠長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)采集到的歷史數(shù)據(jù)，在必要時(shí)，可以隨時(shí)查詢、顯示或打印。

三、高分辨率電壓與電流快速數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

兩種方法能夠訪問(wèn)A/D轉(zhuǎn)換器采樣得到的數(shù)據(jù)：輪詢模式和中斷模式。在輪詢模式下，可以通過(guò)檢查A/D控制寄存器的ADCCON的bit，即ECFLG轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，便可以得知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；在中斷模式下，總轉(zhuǎn)換時(shí)間，也就是從A/D采樣開(kāi)始到讀取采樣數(shù)據(jù)之間的時(shí)間，會(huì)存在一些延遲，因?yàn)檫@種方法需要操作系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序（ISR），等到ISR返回并讀取數(shù)據(jù)需要花費(fèi)一些時(shí)間。

3.2 程序編譯

無(wú)論是應(yīng)用程序還是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，都需要編寫一個(gè)工程管理文件makefile，來(lái)將自己的用C語(yǔ)言編寫的程序文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。makefile關(guān)系到整個(gè)工程的編譯規(guī)則，因此makefile定義了一系列的規(guī)則來(lái)指定哪些文件需要先編譯，哪些后編譯，哪些需要重新編譯，他帶來(lái)的好處就是自動(dòng)化編譯。makefile文件說(shuō)明了如何編譯各個(gè)源文件并連接生成可執(zhí)行文件，并定義了源文件之間的依賴關(guān)系。當(dāng)修改了其中某個(gè)源文件時(shí)，如果其他源文件依賴于該文件，則也要重新編譯所有依賴該文件的源文件。驅(qū)動(dòng)程序的makefile文件只需修改其中的路徑名和文件名就可以制定符合自己開(kāi)發(fā)板的makefile文件。

三、結(jié)束語(yǔ)

總之，高分辨率電壓與電流數(shù)據(jù)采集方法能夠有效地抑制串模干擾，使用較少的精密元件就能達(dá)到很高的分辨率。另一方面，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程。不僅提高了測(cè)量精度，而且使其校準(zhǔn)和調(diào)整更加方便，數(shù)據(jù)采集速度也提高了很多。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔高健，張?jiān)鰩洠罱B松.基于Simulink/xPC Target的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建及問(wèn)題分析[J].電子制作，2018（01）：13-16

[2]劉博，郭君巖，劉偉，邵麗艷，劉強(qiáng).基于STM32F103RCT6的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（02）：146-147.