基于CH375的智能數(shù)據(jù)采集卡

0 引言
數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，在測量、制造、自動控制等場合都需要高質量的信號采集環(huán)節(jié)，由于ADC技術和微控制器技術的相對成熟，基于PCI，ISA等接口的數(shù)據(jù)采集卡被廣泛地應用在眾多科研和工控領域。在測試技術日益變革的今天，測試任務更加復雜多變，需要采集和處理的信息量更加冗長，同時要求測試環(huán)節(jié)與計算機的接口更加無縫化和標準化，基于虛擬儀器技術(Virtual Instruments)和高速USB 2．O接口的數(shù)據(jù)采集有著更為廣泛的應用前景和市場，是當前測試技術研究的熱點之一。
以運算速度更快，位數(shù)更寬，資源更為豐富的ARM處理器作為控制核心，配合USB2．0數(shù)據(jù)傳輸和靈活的上位機軟件，新一代的數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)不再局限于單一的板卡形式，可以通過連接線獨立于計算機之外，根據(jù)測試任務的需求，滿足高精度、高速率、多功能的測試指標。同時由于采用了高性能的ARM處理器，控制程序容量加大，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的獨立化、智能化、多樣化，擺脫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對上位機運算能力的依賴，從而開發(fā)出全新的智能數(shù)據(jù)采集卡。

l 系統(tǒng)原理及框圖
整個系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。被測電壓信號經(jīng)過前置調理送到AD7685進行采樣，由Atmega48的SPI驅動AD7685，采集到的雙字節(jié)(16 b)數(shù)據(jù)由Atmega48并口，分兩次傳送給ARM ADuC7026核心。當數(shù)據(jù)采集卡工作于聯(lián)機狀態(tài)時，由PC上位機軟件設置采樣頻率和通道工作模式，經(jīng)過處理通過USB控制芯片CH375送數(shù)據(jù)到PC端；當數(shù)據(jù)采集卡工作于離線模式時，無需PC上位機干預，數(shù)據(jù)采集卡按照預先設定的采樣頻率和工作模式進行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過USB控制芯片CH375送數(shù)據(jù)到U盤端。系統(tǒng)采用±9 V，+5 V，+3．3 V以及模擬地數(shù)字地，并由DC／DC模塊產(chǎn)生，經(jīng)過良好的LC濾波為各個電路單元提供電力。人機接口(HMI)采用簡潔的雙按鍵和LED指示，對整個數(shù)據(jù)采集卡工作模式的選擇和運行狀態(tài)進行控制。

2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件實現(xiàn)
2．1 AD(、接口和信號調理電路
為了滿足較高的采集精度和采樣速率，該設計選擇AD7685作為模擬／數(shù)字轉換器件。AD7685是一款16位、串行輸出、250．KSPS、電荷再分配、逐次逼近型(PulSAR)ADC。ADC與處理器采用串行外圍設備接口(SPI)接口進行連接，為了保證ADC的精度，采用高速光耦6N137隔離式驅動電路來隔離處理器SPI總線上的串擾。
前置調理電路信號的流向參見圖1系統(tǒng)組成框圖。設計中，采用模擬開關ADGl024對輸入信號進行切換，并通過可編程增益放大器(PGA)AD8251進行處理，通過增益為O．2的電平轉換16位ADC驅動器AD8275，把±5 V的信號轉換成O．25～2．25 V的信號，極大地擴展了該數(shù)據(jù)采集卡的測量范圍，而簡化了前置調理電路的設計，其電壓計算公式如下：

經(jīng)過前置調理電路使得不同量程范圍的輸入信號放大或衰減到O．25～2．5 V內，最大限度地利用ADC量程，使得采集系統(tǒng)的4個輸入通道可以有單通道、雙通道、四通道3種工作模式，且每個通道皆可以設置為任意量程。前置通道的相應配置由處理器ADuC7026完成，其配置遵循表1。