张家田 董华强 严正国

摘 要： 针对微震动检波系统，设计了一种Δ?Σ技术的24位高分辨率的四通道同步数据采集系统。该系统以ADS1274为核心，采用高性能MCU?STM32F103作为系统的控制单元，具有高分辨率、高速、低功耗和低速等四种工作方式。采用RS 232通信接口接收上位机命令和传送数据，上位机中VB 6.0开发的数据处理软件对数据进行进一步的处理，比如对数据的波形进行显示、滤波等处理。

关键词： 数据采集； ADS1274； Δ?Σ技术； 数据处理

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）05?0168?03

0 引 言

在现今的众多领域中，人们对众多微弱信号的测量精度要求越来越高，有一些特殊领域对精度提出较高要求的同时对多个通道信号采集的同步性也提出了较高的要求，比如石油地震勘探、测井以及微震动检测等领域，采集数据的准确性直接影响到整个系统的精度。

近几年来随着电子技术的快速发展，基于Δ?[Σ]结构的高精度模数转换器（ADC）应运而生。其采用的过采样技术，不仅提高了精度，同时也在很大程度上提高了A/D基带内的信噪比（SNR）。本文以ADS1274和STM32为核心设计了一种具有24位高精度的多通道微弱信号同步采集系统，和传统的循环采集系统相比，该系统具有节省硬件资源、结构简单、可靠性高、成本较低[1]等特点。

1 24位A/D转换器ADS1274

ADS1274是TI公司推出的一种基于ADS1271的24位四通道Δ?Σ A/D转换器，具有高速、高分辨、低功耗、低速四种工作模式。高速模式下转换速率可达144 kS/s，高分辨率模式下输出信噪比达108 dB，低功耗模式下耗散功率[2]仅35 mW。ADS1274数据输出采用串行接口方式，具有SPI和Frame Sync两种串行接口方式。工作模式和串行接口方式由模式控制引脚MODE和串行接口格式控制引脚Format进行设置，可通过硬件跳线设置，也可由微处理器通过I/O口编程控制，接口非常简单。

2 系统方案设计

多通道微信号数据采集系统的原理框图如图1所示，微弱震动信号经过调理以后送入ADS1274，实现高精度多通道同步微弱信号的采集。STM32通过SPI通信协议将数据取回，然后再利用串口将数据送入PC机，以便对数据进行近一步的处理。

3 硬件电路设计

3.1 放大电路

由于ADS1274的设计采用差分输入，本设计采用TI公司推出的双路低失真电压反馈放大器THS4012和具有关断功能的全差动输入放大器THS4130组成，如图2所示，放大电路同时实现单端转差分功能，满足ADS1274的输入要求，从而进一步发挥全差分ADC具有的出色的共模抑制性能。

3.2 STM32与ADS1274接口电路

本文选取ADS1274作为转换模块，采用SPI协议TDM模式与MCU进行通信，数据由DOUT1口送出。ADS1274与STM32的接口电路如图3所示。STM32的SPI引脚，分别与ADS1274的SCLK和DOUT1相连。操作PA口分别与ADS1274的CLK，DRDY，SYNC，PWDN[1：4]，FORMAT[2：0]和MODE[1：0]引脚相连。分别向ADS1274提供时钟，设置工作模式。这样的连接方式，一方面可以根据提供不同频率时钟来获得不同的转换速率；另一方面也可以根据不同的需求来设置其不同的工作状态，以便于降低功耗。

3.3 参考电压电路

ADS1274以及THS4130的正常工作都需要提供一个2.5 V的参考电压。本设计采用REF1004I?2.5和高速单电源轨至运算放大器OPA350组成基准电压，产生电路如图4所示，其电路抗干扰能力强、稳定性出色。

3.4 电源转换电路

电源对A/D转换电路来说是十分重要的，电源供电电压稳定与否将直接影响到A/D转换结果的精度。ADS1274的正常工作需要5 V，3.3 V和1.8 V的供电电压。经过反复对比，本设计采用TPS73633DBVT和TPS73618DBVT芯片提供3.3 V和1.8 V电压。5 V电压则由电源直接提供。

4 软件设计

系统的软件编程设计主要是控制ADS1274工作状态和将数据读取回来发往PC。采用Keil4?MDK软件环境下，使用C语言进行程序的编写。系统工作主程序流程图如图5所示，主要包括MCU的初始化，A/D模块，SPI，串口和中断的配置，上位机发送不同的命令控制A/D对数据的转化以及串口对数据的发送。

子程序流程图如图6所示，以DRDY信号作为外部中断源，触发中断，进入中断后SPI主机发送12 B的数据，提供SCLK时钟读取DOUT1串行输出的4个通道的数据，通过串口将数据发送给上位机，上位机数据处理软件对数据进行处理，最终完成数据采集。

上位机对数据的处理软件采用VB 6.0进行设计[3]，兼容于Windows 7/XP操作系统，使用方便。其能够对数据进行数据与波形的显示，中值平均滤波和相敏检波等处理。

5 实验结果

在系统软硬件设计完成后，对系统进行微调以后，利用信号发生器、直流稳压电源和数字万用表，对系统进行测试。4个通道采集幅度和频率相同的信号，测量结果如表1所示。

6 结 论

本文设计了一种高精度的多路同步数据采集处理系统，可以满足多路数据的同步采集。利用串行通信方式进行传输，设计简单、成本较低、可靠性稳定。通过实验测试表明，该系统精度满足微震动检测系统的设计指标，可用于各种震动检测数据采集系统。基于本设计，也可以采用自组菊花链的方式，组成更多路同步数据采集系统，以满足更多路微弱信号检测系统和高精度精密测量系统，可以应用于过套管电阻率测井仪器、地震勘探、医疗器械和安全监测等，应用前景可观。

参考文献

[1] 严正国，张家田.高分辨同步数据采集处理系统设计[J].中国计量学院学报，2006（3）：192?195.

[2] TI. Quad/octal， simultaneous sampling， 24?bit analog?to?digital converters [R]. US： TI， 2011.

[3] 高春艳，安剑，巩建华.学通Visual Basic的24课堂[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[5] 王飞，张家田.多通道高准确度数据采集系统设计和应用[J].电气应用，2013（3）：72?75.

[6] 谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.