基于A(yíng)DS1158和DSP的高精度數據采集系統設計

摘要：為了實(shí)現對信號的高精度測量，以ADS1158和dsPIC30f4011為基礎設計了16位高精度數據采集系統方案。給出了系統硬件結構圖以及主要電路模塊的設計思路，并介紹了系統軟件的結構與主要程序流程以及如何在此硬件基礎之上將系統快速升級為24住數據采集系統的方素。該數據采集系統可以廣泛的應用于傳感器信號采集、工業(yè)控制等場(chǎng)合中，具有非常好的市場(chǎng)應用前景，其設計也具有很強的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數據采集；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／數轉換芯片。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，使得硬件系統能夠以最簡(jiǎn)單的方式從16位升級到24位系統。Microchip公司的數字信號控制器dsPIC30F4011為16位DSP，具有DSP的高速運算能力，保證了微處理器能夠對ADS1158的數據讀取進(jìn)行快速的響應，同時(shí)完成數據處理與通信功能。
本方案較為詳細的介紹了以這兩種芯片為基礎構建的模擬量數據采集系統，包括硬件組成原理和部分關(guān)鍵電路的設計，并對軟件設計上的難點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

1 硬件設計
硬件設計方案如圖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。本文將對硬件設計中的幾個(gè)關(guān)鍵電路設計進(jìn)行介紹。在設計的過(guò)程中除了考慮到模擬量采集功能的實(shí)現以外，還充分考慮了采集模塊的可靠性設計、保護電路等設計，增強其實(shí)際應用能力。

1．1 信號輸入設計
為了提高數據的采集精度，本系統采用高精度和低溫漂的4．096 V電壓基準芯片REF5040。同時(shí)為了擴大輸入信號的范圍，在信號輸入端設計了電阻分壓。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(lái)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A(yíng)DC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(guò)采樣和通道切換引入的開(kāi)關(guān)噪聲。為了保護輸入通道，應在外圍電路設計上下鉗位的保護電路，鉗位二極管采用肖特基二極管BAT54SWT1。

1．2 隔離設計
從提高模塊的可靠性角度來(lái)設計，應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(shí)，不會(huì )影響到通信總線(xiàn)、電源線(xiàn)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(xiàn)。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字信號的參考地必須是隔離的，實(shí)際應用中對模擬地和數字地分開(kāi)布局，然后通過(guò)最短的連線(xiàn)(低阻抗)連在一起，再接到外部某一個(gè)低阻抗的系統接地平面上，構成星形接地。

在本方案中，總線(xiàn)電源電壓為24 V，在模塊的電源設計上采用了24～5 V的隔離電源模塊。此外，本方案采用CAN總線(xiàn)通信，所以在CAN接口設計中采用了ZLG公司的隔離CAN通信模塊CTM8250T。
通過(guò)上述三處隔離設計，大大提高了A／D模塊的獨立性，增強了系統的可靠性。