數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測試系統(tǒng)中是一個很重要的環(huán)節(jié)，其精確性和可靠性是至關(guān)重要的。本文闡述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高達16位，能夠?qū)?個外部模擬通道進行A/D采樣，最大模擬輸入信號范圍達到-15～+15V。該系統(tǒng)具有限幅保護功能，程序編寫簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)對遠端數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖中，A/D轉(zhuǎn)換器采用了TI公司的16位逐次逼近型ADS8344;FPGA主要用于控制ADC的啟動、停止和查詢ADC狀態(tài)等，同時對數(shù)據(jù)進行高速數(shù)據(jù)緩沖、異步數(shù)據(jù)編解碼、無線信道編解碼等數(shù)據(jù)處理。

　　1.1 主要芯片ADS8344

　　ADS8344是一款高性能、低功耗的ADC，采用2.7～5V單電源供電，最大采樣頻率為100 kHz，信噪比達84dB，自帶采樣/保持電路，包含8個單端模擬輸入通道(CH0～CH7)，也可合成為4個差分輸入。參考電壓VRFF的范圍為500mV～VCC，相應(yīng)的每個模擬通道的輸入為0V～VREF，DS8344是通過三線SPI接口與FPGA相互通信的，數(shù)據(jù)從DIN引腳輸入到8位只寫控制寄存器。當FPGA讀取完ADC上次轉(zhuǎn)換

　　結(jié)果時，下一個轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了DIN引腳。一個完整的控制字節(jié)需要8個DCLK時鐘。寫完控制字節(jié)的同時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，模/數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出引腳BUSY產(chǎn)生一下降沿，數(shù)據(jù)輸出有效，F(xiàn)PGA開始接收由DCUT輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果。16位串行數(shù)據(jù)需要16個DCLK時鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的LSB位時，下一個通道的控制字開始輸入到A/D芯片。ADS8344完成一次完整的數(shù)據(jù)采樣保持、轉(zhuǎn)換和輸出共需要25個DCLK時鐘。ADS8344串行接口時序如圖2所示。

　　1.2 信號調(diào)理電路

　　數(shù)據(jù)采集前端的調(diào)理電路如圖3所示。2個運放選用的是TI公司的精密儀表放大器OPA277。由于輸入模擬電壓信號為雙極性，范圍為一15～+5 V，而ADX8344模擬輸入通道為O V～VREF(本系統(tǒng)是+5 V)，所以必須對輸入信號進行單極性轉(zhuǎn)換。

　　其傳遞函數(shù)為：

　　式中：VOUT為轉(zhuǎn)換后的單極性電壓信號;VREF由電壓基準源提供，在圖中是+2.5V;VIN為輸入的一15～+15 V電壓信號。當R3=6R1、R4=6R2時，傳遞函數(shù)可化簡為：

　　可見，傳遞函數(shù)是線性函數(shù)。只要正確選擇精確的電阻值，一15～+15 V電壓信號可線性轉(zhuǎn)換為O～+5V，從而保證了系統(tǒng)的精度。

　　1.3 無線通道

　　本系統(tǒng)是按用戶的要求設(shè)計開發(fā)的，其中，無線通道是由用戶提供的。本系統(tǒng)采用的無線通道是點對點傳輸，傳輸距離最遠達40 km，傳輸速率最高達11 Mbps，對標準異步串口數(shù)據(jù)是透明傳輸。A/D電路輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA高速數(shù)據(jù)緩沖、異步數(shù)據(jù)編碼、無線信道編碼等數(shù)據(jù)處理后，送到無線通道進行無線傳輸。遠端的無線接收機接收到數(shù)據(jù)后送到FPGA進行無線信道解碼、異步數(shù)據(jù)解碼等處理，恢復A/D采樣數(shù)據(jù)，然后或者送到D/A電路進行模擬量輸出，或者重新進行異步數(shù)據(jù)編碼送到PC機，由PC機對數(shù)據(jù)做進一步的分析處理。

　　2 軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括了FPGA硬件描述語言編程和PC機應(yīng)用程序。

　　2.1 FPGA編程

　　FPGA編程使用VHDL語言，主要包括對ADS8344的數(shù)據(jù)讀寫、異步數(shù)據(jù)編解碼等。使用FPGA很容易實現(xiàn)SPI接口間的通信，對ADS8344的數(shù)據(jù)讀寫僅用兩個進程就可以實現(xiàn)。部分程序如下：

　　(1)寫數(shù)據(jù)進程

　　程序中的8位控制字節(jié)是在另一進程中根據(jù)用戶要求進行配置的?？刂萍拇嫫鞲袷饺缦拢?/p>

　　控制寄存器各位的功能說明如下：

　　S——控制字節(jié)開始位。為高時，才表示輸入的字節(jié)有效。

　　A2~AO——模擬輸入通道選擇位。

　　SGL/DIF——模擬通道輸入方式選擇位。為高時，為單端輸入i為低時，為雙端差分輸入。

　　PDl～DO——功率管理選擇位。

　　(2)讀數(shù)據(jù)進程

　　ADS8344是多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以數(shù)據(jù)要添加通道地址碼。FPGA讀取了16位數(shù)據(jù)后，進行高速數(shù)據(jù)緩沖處理，使用速率與低速異步串口速率匹配。由于讀取的數(shù)據(jù)是16位，而異步數(shù)據(jù)是10位(1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，l位停止位)，因此要對數(shù)據(jù)重新編碼。用FPGA實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)格式非常簡單。下面是異步數(shù)據(jù)編碼的部分程序：

　　在數(shù)據(jù)編碼進程中，pdatam(15 downto 0)是A/D轉(zhuǎn)換出來的16位數(shù)據(jù)，分為4個異步數(shù)據(jù)幀。每幀的低4位是數(shù)據(jù)位，高4位是編碼位，數(shù)據(jù)編碼格式如表l所列。

　　上位PC機以指定速率接收到如表l格式的4個異步數(shù)據(jù)幀后，去掉起始位、停止位，地址位和空閑位，按地址位順序重新排列數(shù)據(jù)，就得到D15～D0的16位A/D量化數(shù)據(jù)，PC機對數(shù)據(jù)可做進一步的處理。

　　2.2 PC機編程

　　PC機端的應(yīng)用程序是在NI公司的LahView環(huán)境下開發(fā)的，主要用于對采集到的數(shù)據(jù)進行解封裝，顯示，控制整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進行、停止，設(shè)置一些相應(yīng)的參數(shù)，以及進行最后的數(shù)據(jù)分析處理。

　　3 結(jié)論

　　該系統(tǒng)綜合運用了FPGA硬件描述語言改變電路結(jié)構(gòu)、算法技術(shù)和無線點對點傳輸技術(shù)，將兩者相結(jié)合應(yīng)用在遠程數(shù)據(jù)采集中。該系統(tǒng)用戶界面友好，操作簡便，精度、速度以及系統(tǒng)可靠性完全滿足要求。該系統(tǒng)應(yīng)用于某研究所試驗中的飛艇與地面間的數(shù)據(jù)采集傳輸。實踐表明，該系統(tǒng)適合用在要求采集通道多、精度高，但速率要求不高的數(shù)據(jù)采集中。