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灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集，又称数据获取，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。尽管数据采集系统根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处理器作为控制，配合USB 2.0数据传输和灵活的上位机软件，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，根据测试任务的需求，满足高、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控制芯片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，数据采集卡按照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控制芯片CH375送数据到U盘端。系统采用±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提供电力。人机接口（HMI）采用简洁的双按键和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

　　为了满足较高的采集和采样速率，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、电荷再分配、逐次逼近型 （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，采用模拟开关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能力。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一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

　　该设计采用外置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用，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，必须考虑其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，采用数字地／模拟地分区覆铜，并一点接地的布线方式，避免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控制芯片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，采取如下措施：

　　（1）采用USB屏蔽线作为连接线，保证数据传输不受外界电磁干扰。

　　（2）保证计算机USB端口的地线与USB控制芯片 CH375的地线严格等电位。

　　2.4 ARM系统的构建

　　ADuC7026是基于ARM7TDMI内核的精密控制器，具有62 KB FLASH，8 KB RAM和4个通用定时器，内部集成UART，I2C，SPI，DAC，PWM，JTAG端口、PLA等众多硬件资源，40个通用I／O引脚。CPU时钟高达45 MHz，采用80脚LQFP封装。在该设计中，搭建了一个包括供电电路、时钟电路、复位电路、 JTAG程序调试接口等电路的完整ARM7应用系统。实际上由于实测ADuC7026的外部I／O取反速度只有4 MHz。

　　3 程序设计

　　3.1 ARM端程序编写

　　ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

　　ARM下位机软件完成的主要功能有3个进程，分别为 Wait，Online，Offline。当数据采集卡上电复位后，首先执行Wait进程，该进程等待按键操作，更改系统工作模式，配合的子程序还有相应初始化程序、按键防抖程序等。当Wait进程结束时，系统转入联机模式（Online）或离线模式（Offline）。联机模式按照用户设置进行采样，将数据存入CH375缓冲，CH375负责将数据传送给上位PC机，其程序流程如图2所示。离线模式则利用CH375海量存储固件，将数据存入U盘。为保证采集的实时性，控制器将数据存放在U盘扇区中，而不是以文件的形式读／写，避免创建文件时复杂时序的延误，其程序流程图如图3所示。

　　3.2 PC端编程

　　该数据采集卡的上位机应用程序由动态链接库DLL和客户端程序2个部分组成。其中，DLL负责与内核态的 USB功能驱动程序通信，并接收应用程序的各种操作请求；客户端程序负责对数据进行分析处理。采用VC++编写，遵循了工程通用的输入／输出界面，可以完成普通数据采集卡的在线采集功能。

　　4 测试与结论

　　通过该数据采集卡挂载U盘，对5 kHz正弦单通道信号进行采集，将U盘数据导入上位机，以获得如图 4所示的波形，它良好地复现了现场波形信号。

　　5 结 语

　　由于采用了支持海量存储技术的多模式USB总线控制芯片CH375和高速低功耗的ARM7控制器，使得该数据采集卡具有一定的智能采集能力，摆脱上位机连接限制而独立工作，采集到的数据存储到U盘中。符合新型数据采集系统小型化、移动化、智能化的发展趋势，广泛适用于工业现场和户外作业等应用场合，有很高的实用价值和推广意义。