一种并行多通道数据获取系统设计

2013-09-04潘烨炀张林颖

机械工程与自动化 2013年6期

郭洁，潘烨炀，张林颖，李婷，王鹏

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051）

0 引言

近20年里无损检测技术在我国得到了迅速的发展，其若干单项技术在研制和运用水平上都已经进入了国际先进行列，并在航空航天、武器制造、汽车制造以及海关检查等工农业生产和生活中得到广泛应用。通过多次技术合作和攻关，已制定了回弹法、超声回弹综合法、取芯法、拔出法等一系列无损检测的规程。伴随着无损检测技术的发展和日益完善，除了常用的超声波外，红外成像技术、雷达技术、波动分析技术、电磁、激光等技术也逐渐被应用。随着配套开发和研制的检测设备发展到智能化时代，相位信息已在无损检测领域广泛应用［1－3］。与此同时，激振检振技术在工程应用中更是无损检测研究的一个重要的方向［4，5］。

传统的数据获取系统，多采用异步多路数据采集模式，此类系统仅能获取模拟信号的频率幅度信息，本文根据激振检振技术相位信息运用需求，介绍了一种多通道同步数据获取系统，此系统不但能够采集到模拟信号的频率幅度信息，同时能够保持不同模拟信号之间的相位信息［6］。

1 系统设计方案

多通道数据获取系统总体框图如图1所示。系统提供8通道模拟信号输入通道，多路模拟开关应用于系统的扩展，以增加模拟通道的路数；传感器模拟输出信号常夹杂高频噪声，由调理电路完成对高频噪声的滤除，同时为提高A／D转换器模拟输入的动态范围，调理电路还需对模拟信号进行放大；A／D转换模块采用8通道同步模拟转换器，以完成8路模拟信号的同步采样；控制单元主要完成A／D转换器的驱动、多路模拟开关的导通控制、信号调理模块的相应控制及与硬件系统和上位机间的通信。

图1 多通道数据获取系统总体框图

2 分系统设计

根据总体设计方案，该系统包括调理模块、多路模拟开关、A／D转换器、通信接口及控制单元等。

2．1 调理电路

信号调理模块包括低通滤波和信号放大两个部分。

2．1．1 滤波电路

传感器输出的模拟信号常含有高频噪声，需设计一低通滤波电路将高频噪声进行滤除。常用的低通滤波电路有两种［7］：①运放加阻容元件；②采用集成滤波芯片。集成滤波芯片具有精度高、体积小的特点，本系统采用集成低通滤波芯片［8］MAX291。

MAX291具有外部时钟和内部时钟两种工作方式，根据其工作原理，本系统采用内部时钟方式，电路较为简单，使用方便。当使用内部时钟时，其时钟频率f（kHz）由CLK引脚与地之间跨接的一电容C确定，具体关系如下：

其中：C为CLK与地之间跨接的电容，pF。

MAX291的截止频率为时钟频率的1／100，根据工程需要，本系统时钟驱动电容C取值为20pF。为保持各路相位信息的一致性，系统采用一片电容驱动各路滤波芯片内部时钟。低通滤波电路如图2所示。

图2 低通滤波电路

2．1．2 放大电路

由于输入模拟信号的动态范围无法满足A／D转换器的模拟输入要求，为使输入信号与采样信号匹配，在滤波电路之后加一程控运算放大电路，如图3所示。

图3 程控放大电路

程控放大电路为一同相输入运算电路，由高速高精度运算放大器和数字电位器构成。通过控制数字电位器的阻值实现电路放大倍数的控制。高速运算放大器选用OP37，该运放具有噪声低、失调电压小、温漂小等特点，增益带宽积达到63MHz。数字电位器选用MAX5484，该电位器具有非易失、线性变换的特性［9］，有1 024个抽头，最大电阻为50kΩ。

2．2 采集模块设计

信号采集电路采用MAXIM公司生产的MAX1308，其具有独立8通道模拟输入端口，独立的采样保持电路为每个通道提供同时采样，提供5V的模拟信号电压输入范围，采样精度为12位，采样频率达到每通道456ks／s。为了保证ADC芯片的12位采样精度，在每个模拟输入通道之前设计了一个由OP37构成的电压跟随器，作为输入缓冲模块。

根据MAX1308的工作原理，系统使用其内部参考时钟，因为ADC芯片的8个通道在电路使用中均一直处于工作状态，所以在电路设计中放弃关断模式和通道关断模式，将芯片的SHDN管脚置为低电平，CHSHDN置为高电平；其余的控制管脚与控制器FPGA相连，12位数字总线与FPGA的IO口连接，并行输出转换后的12位数字信号，同时D0～D7端口作为配置信息输入端口。ADC芯片连接示意图见图4。

2．3 辅助电路设计

辅助电路包括系统电源及通信接口设计两个部分。ADC芯片的供电电压为±5V，采用LM7805和LM7905进行供电，控制器EP3C10E144C8N的供电电压为3．3V、1．5V 和1．2V，采用LM1117系列芯片进行供电。为方便与上位机相连，通信接口选用RS232－USB通信方式［10］，转换芯片选用Prolific公司生产的PL2303，该芯片仅需外接几只电容便可实现USB信号与RS232信号的转换，实现上、下位机的双向通信。

图4 ADC芯片连接示意图

2．4 控制模块设计

完成信号调理及ADC模块硬件设计之后，最重要的便是其ADC转换逻辑、程控放大自动增益控制以及整个系统的时序控制。系统选用ALTERA公司生产的FPGA芯片EP3C10E144C8N，完成与上位机之间的通信和对ADC芯片的驱动及程控放大的控制。下位机软件采用分层模块化设计，运用VHDL语言及集成开发工具定制文件实现。下位机软件大致可以分为3个部分，即系统总体控制程序、ADC驱动控制程序及程控运放控制程序。

程控运放程序主要完成信号调理中运放的自增益设置。首先从控制器RAM中读取数控电位器控制数据，若数据有效便将数据写入数控电位器，若无效则初始化后写入，启动一次ADC，并根据采集回的数据进行运放电阻调制，直至将测量电压调制在4．5V～－4．5V附近，最后将电位器控制参数写入控制器RAM，具体流程如图5（a）所示。

ADC控制程序主要完成ADC芯片的驱动控制。首先通过数据总线D0～D7对ADC芯片进行配置，使模拟8通道均处于使用状态。配置完毕后，启动ADC芯片，等待所有通道均转换完毕后，对各通道数据进行依次读取，具体流程如图5（b）所示。

下位机主控制程序负责下位机整体时序的控制。程控运放增益倍数调制合适后，将数字电位器控制参数发送回上位机，启动ADC芯片进行数据采集，并将采回的数据发给上位机。若系统为连续采集，则重新启动ADC芯片重复上述步骤；如非连续采集，则结束此次数据采集。主程序流程如图5（c）所示。