基于ADS1158和DSP的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對信號的高精度測量，以ADS1158和dsPIC30f4011為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案。給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖以及主要電路模塊的設(shè)計(jì)思路，并介紹了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)與主要程序流程以及如何在此硬件基礎(chǔ)之上將系統(tǒng)快速升級為24住數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方素。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于傳感器信號采集、工業(yè)控制等場合中，具有非常好的市場應(yīng)用前景，其設(shè)計(jì)也具有很強(qiáng)的參考價值。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ADS1158；dsPIC30F4011；傳感器信號

0 引言
ADS1158是美國TI公司生產(chǎn)的多通道(16單端或8差分)、高精度(16位)、高速(掃描速度為1．8～23．7 KSPS)的高性能模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。ADS1258與ADS1158具有同樣的功能，更高的精度(24位)，同樣的封裝和引腳定義，使得硬件系統(tǒng)能夠以最簡單的方式從16位升級到24位系統(tǒng)。Microchip公司的數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011為16位DSP，具有DSP的高速運(yùn)算能力，保證了微處理器能夠?qū)DS1158的數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行快速的響應(yīng)，同時完成數(shù)據(jù)處理與通信功能。
本方案較為詳細(xì)的介紹了以這兩種芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括硬件組成原理和部分關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)，并對軟件設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

1 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由信號輸入、電源、AD外圍電路、MCU外圍電路以及各部分電路之間的接口幾部分組成。本文將對硬件設(shè)計(jì)中的幾個關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。在設(shè)計(jì)的過程中除了考慮到模擬量采集功能的實(shí)現(xiàn)以外，還充分考慮了采集模塊的可靠性設(shè)計(jì)、保護(hù)電路等設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用能力。

1．1 信號輸入設(shè)計(jì)
為了提高數(shù)據(jù)的采集精度，本系統(tǒng)采用高精度和低溫漂的4．096 V電壓基準(zhǔn)芯片REF5040。同時為了擴(kuò)大輸入信號的范圍，在信號輸入端設(shè)計(jì)了電阻分壓。為了保證不同通道輸入信號的一致性，分壓電阻均采用0.1％以上精度的精密電阻。本方案采用2.7kΩ，1kΩ的精密電阻來組成分壓電路，實(shí)際電壓輸入范圍為0～15V，其電路如圖2所示。此外，在ADC輸入端加濾波電容，組成RC低通濾波器，可以有效的減小由過采樣和通道切換引入的開關(guān)噪聲。為了保護(hù)輸入通道，應(yīng)在外圍電路設(shè)計(jì)上下鉗位的保護(hù)電路，鉗位二極管采用肖特基二極管BAT54SWT1。

1．2 隔離設(shè)計(jì)
從提高模塊的可靠性角度來設(shè)計(jì)，應(yīng)該充分考慮到電氣信號隔離功能。包括模擬信號輸入隔離、電源隔離、通信接口隔離三部分，確保該模塊產(chǎn)生故障時，不會影響到通信總線、電源線路上其他電路的正常工作。
ADS1158與DSP的通信采用的是SPI串行通信，加上控制端口，共有五根輸入輸出線。本方案采用ADI公司的隔離芯片ADUM-1200，組成SPI的高速隔離輸入，如圖3所示。模擬信號的參考地與數(shù)字信號的參考地必須是隔離的，實(shí)際應(yīng)用中對模擬地和數(shù)字地分開布局，然后通過最短的連線(低阻抗)連在一起，再接到外部某一個低阻抗的系統(tǒng)接地平面上，構(gòu)成星形接地。

在本方案中，總線電源電壓為24 V，在模塊的電源設(shè)計(jì)上采用了24～5 V的隔離電源模塊。此外，本方案采用CAN總線通信，所以在CAN接口設(shè)計(jì)中采用了ZLG公司的隔離CAN通信模塊CTM8250T。
通過上述三處隔離設(shè)計(jì)，大大提高了A／D模塊的獨(dú)立性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。