潘绍明，王 浩，尚会增，尹梦碟

（广西科技大学 自动化学院，广西 柳州 545006）

0 引 言

作为一种将模拟量转化为数字量的手段，数据采集在自动控制、自动检测、电子测量等自动化、智能化系统中被广泛应用，它是基于计算机实现不同工作过程的基础[1]。在目前的发展阶段，各个产业的发展都涉及到大量的数据处理，新的发展要求不能仅仅依靠传统的数据采集系统来满足，还要将先进的数据采集设备和技术运用到实际工作中，这对于优化数据采集结果、提高工作效率、促进行业更好地发展等众多方面都具有重要意义[2]。韩宾等人[3]设计了以FPGA 和STM32 架构为数据处理和控制核心的数据采集系统，实现了16 路高精度数据的实时处理和采集功能，采样频率可调，满足了精密产品所需的多通道、高精度和实时数据采集功能。但是使用FPGA 控制模块的成本过高，不能满足更多的使用场景。寇剑菊等人[4]设计了基于AT89S52 和AD7865 构成的四通道并行数据采集系统，但是AD7865 是14 位四路采集芯片，其精度和通道数量都有所限制，所以适用范围较小。徐国明等人[5]利用AD7606 设计了一种数字多功能表，信号采集部分使用了高性能ADC，为了保证整个测量段的数据精度，电流线路使用了有源补偿方式，确保系统能够以最高30 MHz 的时钟速率工作。司云朴等人[6]使用STM32 配合AD7609 芯片设计了组合称重装置，AD7609 的8 个通道可以同时采样，且均使用差分输入，每个通道的采样速率为20 KSPS。整个系统运行速度快、精度高。常见的数据采集系统大多以DSP 或者FPGA 配合12 位的AD 芯片进行数据采集，已经可以满足大多数行业的使用，对于一些要求速度高、精度高的行业，常见的采集系统显然不能满足其要求[7]。本文设计了一种以STM32F407ZET6 和AD7609 为核心，包含8 个18 位采集通道的数据采集系统，在配备电池模块和存储模块的同时，将控制部分和采集部分采用模块化设计，让用户轻松离线使用，不用固定电源，丰富使用场景。整个系统属于实用性强、成本低、推广前景好的多通道、高精度、高智能化数据采集装置。

1 总体设计

数据采集系统的整体设计方案如图1 所示。为了方便用户使用，将控制部分和采集部分采用模块化设计，设计了一块底板将两个模块安装在上面。控制模块主要是由STM32 及其外围电路构成，同时引出4 个串口和2 路CAN总线，方便与其他模块搭配使用，提高了多场景的适用性。AD7609 配合其外围电路构成了采集模块，同时在底板上设计了供电系统和SD 卡存储模块，方便离线操作的同时还能保存采集的数据。

图1 整体设计方案

信号输入接口完成采集装置与外部模拟信号的电气连接，通过AD7609 完成模拟信号到数字信号的转换，基准电压电路提供AD 转换的基准电压，STM32 完成AD 转换的控制、转换结果的处理以及与其他系统的通信控制。数据储存模块使用的是SD 卡，用来储存采集的数据。

本系统的AD 采集芯片使用的是ADI 公司的AD7609 芯片，该芯片是一款高速高精度的模数转换器，拥有8 个18 位的采集通道，所有通道最高可有200 KSPS 的吞吐量[8-10]。芯片采用5 V 单电源为系统供电。AD7609 可以选择±5V 或者±10 V 的输入电压，两种模式都可以处理真双极性输入电压。为了允许AD7609 与输入信号直接相连，不使用前端驱动放大器，芯片内部的模拟输入阻抗固定为1 MΩ，与采样的频率没有任何关系。芯片内部配备了模拟输入钳位保护电路，允许输入最大电压达到±16.5 V。因为芯片内部配备了采样保持放大器，可以使用ADC 18 位分辨率来采集满量程的正弦波。在基准电压方面，AD7609 提供两种选择模式，既可以使用内部提供的2.5 V 基准电压，又可以使用外部基准电压源。需要注意的是，在使用外部基准电压源的时候需要采样一个100 nF 的电容对REFIN/REFOUT 引脚去耦，在使用内部基准电压源的时候则需要用10 μF 的陶瓷电容。在数字接口方面AD7609提供了并行接口和串行接口两种选项，可以通过PAR/SER SEL 引脚来选择需要的接口模式。为了可以在较低的采样速率下或者在高信噪比的情况下使用，AD7609 内部配备了一个灵活的数字一阶sinc 滤波器。

AD7609 的功能框图如图2 所示，下面对相关引脚进行简单介绍。

图2 AD7609 功能框图

REF SELECT 引脚用于系统选择使用内部基准电压还是外部基准电压输入。如果系统选择使用内部基准电压，可将此引脚设置为逻辑高电平，内部基准电压由AD7609 自身产生并使用。如果系统需要使用外部基准电压，可将此引脚设置为逻辑低电平，内部基准电压将会被禁用，同时还需要将外部基准电压输入到REFIN/REFOUT 引脚。

RANGE 引脚是用来选择整个系统模拟通道输入量程范围的。整个系统的量程范围有±5 V 和±10 V 两种可选。如果需要系统模拟通道输入范围都为±5 V，那么就需要将此引脚设置为逻辑低电平。如果需要系统模拟通道输入范围都为±10 V，那么就需要将此引脚设置为逻辑高电平。

PAR/SER SEL 引脚用于选择系统的数据接口是并行输入还是串行输入。如果需要系统所有通道并行输入，那么就需要将此引脚设置为逻辑低电平。如果需要系统所有通道是串行输入，那么就需要将此引脚设置为逻辑高电平。

CONVST A 引脚和CONVST B 引脚可以控制模拟输入通道转换，CONVST A 对V1、V2、V3、V4 的四个通道进行控制启动采样，CONVST B 对V5、V6、V7、V8 的四个通道进行控制启动采样。如果将CONVST A 与CONVST B两个引脚相连，并由二者给出一个转换开始的信号，就可以对八个通道进行同时采样。

2 系统硬件设计

2.1 AD7609 采集电路设计

根据系统的设计需要，系统采用的是并行接口，因此PAR/SER SEL 引脚需要与逻辑低电平相连接。该系统设计的量程为±10 V，因此需要将RANGE 引脚与逻辑高电平连接起来。该系统为8 通道同时采集，可将CONVST A 引脚与CONVST B 引脚短路连接，并施加一个转换启动信号。该系统使用外部基准电压，因此设置REF SELECT 为逻辑低电平，禁止使用内部参考电压，并在REFIN/REFOUT 引脚上施加外部基准电压。图3 为AD7609 采集电路的原理。

图3 采集电路原理

2.2 外围电路设计

外围电路包括基准电压电路和SD 卡储存电路。系统的基准电压通过REF5025 产生。REF5025 是一款噪声低、产生的基准电压精度极高的芯片，输入电压范围最大可达18 V，输出2.5 V 电压，工作温度为-55 ～125 ℃，使用场景丰富[11-13]。电路中NR 和接地之间的电容用来滤除噪声，电源引脚和接地之间为去耦电容，输入和接地之间的电容对输出进行去耦。

储存模块采用大容量SD 卡，保证数据的写入和读取。为了保证传输速度，对SD 卡的控制方式采用6 线制，即通过使用STM32 对SD 卡的CLK、CMD 和DAT0 ～DAT3 六个引脚进行控制来实现数据传输。图4 和图5 为基准电压电路和SD 卡储存电路。

图4 基准电压电路

图5 SD 卡储存电路

3 系统软件设计

3.1 AD7609 采集电路设计

AD7609 采样模块的工作流程如图6 所示。首先通过STM32 控制模块将CONVST 引脚电平拉低，启动转换；然后读取BUSY 引脚的信号，当BUSY 引脚信号变为低电平时，说明转换完成，系统可以读取采样数据，并触发中断来读取数据。读取数据时，首先使能CS 信号，然后变换RD信号来读取数据。RD 引脚要读取所有18 位转换结果，一共需要2 个RD 脉冲。每个通道的转换结果可以逐个升序输出到并行输出总线DB[15：0]，向RD 引脚施加16 个脉冲序列。BUSY 变为低电平后，第一次的RD 脉冲下降沿输出通道V1的结果DB[17：2]，下一次的RD 脉冲下降沿用通道V1 的结果DB[1：0]更新总线。整个转换过程需要16 次RD 脉冲，能够完整读取AD7609 的8 通道18 位转换及结果。输出通道V8 的DB[1：0]是RD 脉冲的第16 个下降沿的转换结果。每个信道的数据转换结果可以在RD 信号为逻辑低电平时传送到STM32 控制模块。

图6 AD 转换流程

在实际工程中，通过前端传感器出来的信号基本都是模拟信号，而后端STM32 主控芯片是处理数字信号的，因此需要用到ADC 进行模数转换。ADC 包括3 个基本功能：采样、量化和编码。采样过程是离散模拟信号的时间，使其成为采样信号；量化是将采样信号的幅度离散化为数字信号；编码是将数字信号转换为数字系统可以接受的形式。同时，ADC 分辨率越高，所需转换时间越长，转换速度越低。因此，ADC 的分辨率和转换速度总是相互制约的。

AD7609 的输出编码方式为二进制补码。所设计的码转换在连续LSB 整数值的中间（即1/2LSB、3/2LSB）进行。AD7609 的LSB 大小为FSR/262144。AD7609 的FSR 在±10 V 范围内为40 V，在±5 V 范围内为20 V。AD7609 在不同量程下输出电压的计算公式如下：

式（1）和式（2）分别为±10 V 和±5 V 范围下的计算公式。CODE 为转换后的二进制码，V+和V-是电源供电电压，REF 为基准电压。

3.2 数据储存模块

本系统使用SD 卡对收集到的数据进行存储，这样可以应对需要大批量采集数据和使用离线采集的工作情况。此系统使用了FATFS 文件系统模块，如图7 所示为存储系统的工作流程。首先，初始化SD 卡，即将SD 卡的格式转换为FAT32 文件系统格式，从而创建文件，并以FAT32 格式存储信息。开始初始化是在系统确认SD 卡与系统正常连接后。整个过程包括：读取原始FAT 表，发现空间簇并确定起始簇号，重新写入SD 卡的FAT 表，读取目录条目信息，向文件信息结构分配文件信息，重新写入SD 卡目录等。初始化后SD 卡即可读取写入，AD 采样信号启动后对SD 卡触发写入指令，该命令必须包含一个与SD 卡的物理地址相对应的写入地址；接收到数据后，SD 卡校验地址，执行CRC 验证，并发送响应指令。

图7 数据储存工作流程

4 实验测试

为了验证整个系统设计的稳定性和可行性，使用Altium Designer 20 设计了系统的电路原理图，并且设计了系统的PCB 文件，制作并焊接了电路板。实验采用5 V 直流电源模块来测试8 个通道的电压采集情况。首先，使用万用表测量5 V 电源模块输出电压为5.08 V，对5 V 直流电源模块引出8 个并联的100 Ω 电阻；然后将每个电阻的两端接入系统采样通道，使用Keil uVision 5 配合串口调试助手来检测系统各个通道的采样电压值。实验结果见表1 所列，CH1 ～CH8为系统的8 个通道输出的电压值，随机读取两次8 个通道的输出值，小数点后保留10 位，之后计算系统采样值与实际电压值的误差。经过计算平均误差为0.11%。

表1 采样实验结果

5 结 语

本文设计的数据采集系统充分考虑了性价比和易用性。将高精度AD 转换芯片AD7609 与微控制器STM32F407 相结合。目前STM32 系列微控制器在市场的占有率非常高，大大降低了采集系统的成本；AD7609 芯片精度高、速度快、外围电路简单，容易与采用STM32搭建的平台进行通信[14-15]。同时，通过实验检测，系统具有较高的准确性和稳定性。本文设计的数据采集系统在精度和采集速度方面，可以满足大多数工业控制领域对数据采集、离线检测和仪器仪表数据采集的需要，具有非常好的推广前景。