袁嘉琦

摘要：高分辨率电压与电流的快速数据采集方法使用专用主控芯片与硬件抗干扰设计，通过合理、科学的软件设计，不仅提高了测量精度，而且采集速度和分辨率都提高了好几个数量级。

关键词：高分辨率电压电流数据采集；精度；速度

在一个测量与控制系统中，各种非电量大都要通过传感器转换为电压与电流信号，然后再进行数据采集，读入到智能测量、分析或控制仪器仪表中进行处理。因此，电压与电流信号的数据采集方法是各种智能化仪器仪表的构成基础之一。

一、数据采集系统发展现状

数据采集系统最早出现在世纪年代，出现了用于军事领域的测试装置自动完成测试任务的数据采集测试系统，其采集速度和灵活性都较好，因此获得高度评价。在20世纪60年代后期，数据采集系统也只是应用在某些特定场合。随着单片机和微处理器等集成电路的出现，及计算机开始普遍使用时，数据采集系统才开始了普遍发展。由科学技术发展状况来看，数据采集系统发展庭势由低速率、低分辨率向高速率、高分辨率发展。

ADC作为数据采集系统的核心之一，国内外许多公司都投入了大量资金用于ADC的发展。目前国外公司在高速数据采集研发及应用方面处于世界领先水平，它们的产品性能好，技术水平高，价格昂贵，在国内高速数据采集相关市场具有垄断地位。而国内公司在高速数据采集领域还处于发展阶段。国内研发的产品采样率低，带宽也相对较窄。目前，在国内高校中，电子科技大学走在高速数据采集领域的前列，其研制的高速数据采集系统最高采样率可达到4GSPS。

总之，国外公司几乎垄断了高速数据采集巧关产品市场，并且掌握了高速数据采集领域的关键技术，而国内在该领域与国外差距还较大，在今后较长时间需要投入到高速数据采集的研究。

现今，STM内嵌式数据采集系统，综合了硬件和软件，在时序控制和逻辑运算等方面不断提升，为高速数据采集系统提供核心支撑。内嵌式处理器不仅集成度高、开发周期短、具有强大的系统移植性，而且实现了时钟速率性能、低功耗、高速I/O、容量和可靠性的完美平衡。

二、高分辨率电压与电流快速数据采集硬件设计

2.1主控芯片的选择

主控制芯片是整个系统的核心，控制着整个系统各个外设模块的工作，选择合适的微处理器对整个系统的性能起着决定性的作用。不同系统所要完成的工作不同，对微处理器的要求也不尽相同。针对具体的系统所要选择合适的微处理器主要从以下五个方面考虑：1）微处理器的数据处理能力足够强大以满足系统数据处理的要求；2）外设接口和存储容量足够系统使用；3）使用的微处理器具有广泛的使用用户，便于解决遇到的问题；4）微处理器的功耗应尽可能的低；5）鉴于整个系统的低成本要求，选择的微处理器价格不能太高。

2.2数据采集工作过程

上图中的两个模拟输入端口分别为电压和电流的测量输入端。实际使用中电压输入通道使用分压器或电压互感器，电流输入通道使用分流器或电流互感器。可以加入一些阻容滤波环节和量程变换电路，以提高电路的量程和抗干扰能力。

测量结果存放在电压电流瞬时值与有效值寄存器中，通过SPI串行口（SDO、SDI、SCLK）和微控制器进行数据交换，/CS为片选信号，寄存器数据从SDO端输出，命令字和写入寄存器的数据从SDI端输入，SCLK端提供通信时钟信号。进入单片机的数据经过处理可以在显示单元显示，也可以从单片机的串行口送到更高一级的处理器（如PC机等），使得数据的共享性更好。

2.3硬件抗干扰设计

设计的硬件抗干扰部分主要釆用了隔离技术、接地抗干扰技术和硬件滤波软件设计技术。

隔离技术主要用在继电保护单元，采用数字光稱来实现输入端和输出端电的隔离，减小前后级之间的电气干扰。

接地抗干扰的目的在于消除公共地线阻抗所产生的公共阻抗稱合，避免硬件受磁场和电位差的影响，防止形成地电流环路与其它电路产生磁親合干扰。一般来说，信号工作频率低于时，采用单点接地，高于时应釆用多点接地。在之间，如采用一点接地，其地线长度不得超过波长的一半，否则应釆用多点接地。由于数据采集系统的信号有最高工作频率，所以抗接地抗干扰设计采用单点接地的方法，个别模块采用多点接地的方法。

硬件滤波方法是工业设备最常用的一种抗干扰手段，主要起到电源的滤波和稳压作用：1）从线性電源稳压得到的电压信号纹波一般比较大，并且高频和低频谐波都十分丰富，从线性电源稳压得到的电压信号采用一个和一个片电容并联的方式滤波基本上可以得到十分平稳的电源电压信号；2）微处理器的供电电压不稳定，会导致其在运行过程中易出现异常情况。所以微处理器供电电压信号在经过电路上的非线性器件时额外加上一个小电容滤波，可以保证微处理器供电电压的稳定，使其在运行过程中不易出现故障。

由于数据采集系统所处的环境可能十分恶劣，周围的干扰也可能比较大，产生的电压小信号会携带着大量的纹波，因此，在进行采样之前必须对电压小信号滤波，由于采样器的输入电阻比较大，所以每个釆样通路都釆用滤波效果更好的一阶滤波。

2.4数据存储

数据采集系统所采集现场的实时数据（设计主要采集现场的温度值和压力百分比）一方面要能够实时显示，另一方面还要能够有效的存储。作为一个具有实时监控作用的数据釆集系统，其中一个重要的功能是能够长期保存数据釆集系统采集到的历史数据，在必要时，可以随时查询、显示或打印。

三、高分辨率电压与电流快速数据采集软件设计

3.1 驱动程序设计

两种方法能够访问A/D转换器采样得到的数据：轮询模式和中断模式。在轮询模式下，可以通过检查A/D控制寄存器的ADCCON的bit，即ECFLG转换结束标志位，便可以得知转换是否结束；在中断模式下，总转换时间，也就是从A/D采样开始到读取采样数据之间的时间，会存在一些延迟，因为这种方法需要操作系统的中断服务程序（ISR），等到ISR返回并读取数据需要花费一些时间。

3.2 程序编译

无论是应用程序还是设备驱动程序，都需要编写一个工程管理文件makefile，来将自己的用C语言编写的程序文件转换成二进制可执行文件。makefile关系到整个工程的编译规则，因此makefile定义了一系列的规则来指定哪些文件需要先编译，哪些后编译，哪些需要重新编译，他带来的好处就是自动化编译。makefile文件说明了如何编译各个源文件并连接生成可执行文件，并定义了源文件之间的依赖关系。当修改了其中某个源文件时，如果其他源文件依赖于该文件，则也要重新编译所有依赖该文件的源文件。驱动程序的makefile文件只需修改其中的路径名和文件名就可以制定符合自己开发板的makefile文件。

三、结束语

总之，高分辨率电压与电流数据采集方法能够有效地抑制串模干扰，使用较少的精密元件就能达到很高的分辨率。另一方面，能够在较短的时间内完成一次数据采集过程。不仅提高了测量精度，而且使其校准和调整更加方便，数据采集速度也提高了很多。

参考文献：

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[2]刘博，郭君岩，刘伟，邵丽艳，刘强.基于STM32F103RCT6的数据采集显示系统设计[J].电子世界，2018（02）：146-147.