求一款高精度数据采集系统的设计方案

　　数据采集在工业测试系统中是一个很重要的环节，其精确性和可靠性是至关重要的。本文阐述的数据采集系统精度高达16位，能够对8个外部模拟通道进行A／D采样，最大模拟输入信号范围达到-15～+15V。该系统具有限幅保护功能，程序编写简便，能够实现对远端数据的采集和传输。
　　1 系统硬件设计
　　数据采集系统框图如图1所示。
　　
　　图中，A／D转换器采用了TI公司的16位逐次逼近型ADS8344；FPGA主要用于控制ADC的启动、停止和查询ADC状态等，同时对数据进行高速数据缓冲、异步数据编解码、无线信道编解码等数据处理。
　　1．1 主要芯片ADS8344
　　ADS8344是一款高性能、低功耗的ADC，采用2．7～5V单电源供电，最大采样频率为100 kHz，信噪比达84dB，自带采样／保持电路，包含8个单端模拟输入通道（CH0～CH7），也可合成为4个差分输入。参考电压VRFF的范围为500mV～VCC，相应的每个模拟通道的输入为0V～VREF，DS8344是通过三线SPI接口与FPGA相互通信的，数据从DIN引脚输入到8位只写控制寄存器。当FPGA读取完ADC上次转换结果时，下一个转换通道的控制字节就写到了DIN引脚。一个完整的控制字节需要8个DCLK时钟。写完控制字节的同时，模／数转换结束，模／数转换状态输出引脚BUSY产生一下降沿，数据输出有效，FPGA开始接收由DCUT输出的转换结果。16位串行数据需要16个DCLK时钟，在接收串行数据的LSB位时，下一个通道的控制字开始输入到A／D芯片。ADS8344完成一次完整的数据采样保持、转换和输出共需要25个DCLK时钟。ADS8344串行接口时序如图2所示。
　　
　　1．2 信号调理电路
　　数据采集前端的调理电路如图3所示。2个运放选用的是TI公司的精密仪表放大器OPA277。由于输入模拟电压信号为双极性，范围为一15～+5 V，而ADX8344模拟输入通道为O V～VREF（本系统是+5 V），所以必须对输入信号进行单极性转换。
　　
　　其传递函数为：
　　
　　式中：VOUT为转换后的单极性电压信号；VREF由电压基准源提供，在图中是+2．5V；VIN为输入的一15～+15 V电压信号。当R3=6R1、R4=6R2时，传递函数可化简为：
　　
　　可见，传递函数是线性函数。只要正确选择精确的电阻值，一15～+15 V电压信号可线性转换为O～+5V，从而保证了系统的精度。
　　1．3 无线通道
　　本系统是按用户的要求设计开发的，其中，无线通道是由用户提供的。本系统采用的无线通道是点对点传输，传输距离最远达40 km，传输速率最高达11 Mbps，对标准异步串口数据是透明传输。A／D电路输出的数据经FPGA高速数据缓冲、异步数据编码、无线信道编码等数据处理后，送到无线通道进行无线传输。远端的无线接收机接收到数据后送到FPGA进行无线信道解码、异步数据解码等处理，恢复A／D采样数据，然后或者送到D／A电路进行模拟量输出，或者重新进行异步数据编码送到PC机，由PC机对数据做进一步的分析处理。
　　2 软件设计
　　本系统的软件设计包括了FPGA硬件描述语言编程和PC机应用程序。
　　2．1 FPGA编程
　　FPGA编程使用VHDL语言，主要包括对ADS8344的数据读写、异步数据编解码等。使用FPGA很容易实现SPI接口间的通信，对ADS8344的数据读写仅用两个进程就可以实现。部分程序如下：
　　（1）写数据进程
　　
　　程序中的8位控制字节是在另一进程中根据用户要求进行配置的。控制寄存器格式如下：
　　
　　控制寄存器各位的功能说明如下：
　　S——控制字节开始位。为高时，才表示输入的字节有效。
　　A2“AO——模拟输入通道选择位。
　　SGL／DIF——模拟通道输入方式选择位。为高时，为单端输入i为低时，为双端差分输入。
　　PDl～DO——功率管理选择位。
　　（2）读数据进程
　　
　　ADS8344是多通道A／D转换芯片，所以数据要添加通道地址码。FPGA读取了16位数据后，进行高速数据缓冲处理，使用速率与低速异步串口速率匹配。由于读取的数据是16位，而异步数据是10位（1位起始位，8位数据位，l位停止位），因此要对数据重新编码。用FPGA实现异步数据格式非常简单。下面是异步数据编码的部分程序：
　　
　　在数据编码进程中，pdatam（15 downto 0）是A／D转换出来的16位数据，分为4个异步数据帧。每帧的低4位是数据位，高4位是编码位，数据编码格式如表l所列。
　　上位PC机以指定速率接收到如表l格式的4个异步数据帧后，去掉起始位、停止位，地址位和空闲位，按地址位顺序重新排列数据，就得到D15～D0的16位A／D量化数据，PC机对数据可做进一步的处理。
　　2．2 PC机编程
　　PC机端的应用程序是在NI公司的LahView环境下开发的，主要用于对采集到的数据进行解封装，显示，控制整个数据采集系统的进行、停止，设置一些相应的参数，以及进行最后的数据分析处理。
　　3 结论
　　该系统综合运用了FPGA硬件描述语言改变电路结构、算法技术和无线点对点传输技术，将两者相结合应用在远程数据采集中。该系统用户界面友好，操作简便，精度、速度以及系统可靠性完全满足要求。该系统应用于某研究所试验中的飞艇与地面间的数据采集传输。实践表明，该系统适合用在要求采集通道多、精度高，但速率要求不高的数据采集中。