基于CH375的智能數據采集卡

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

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

2 數據采集卡的硬件實(shí)現
2．1 AD(、接口和信號調理電路
為了滿(mǎn)足較高的采集精度和采樣速率，該設計選擇AD7685作為模擬／數字轉換器件。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(jìn)行連接，為了保證ADC的精度，采用高速光耦6N137隔離式驅動(dòng)電路來(lái)隔離處理器SPI總線(xiàn)上的串擾。
前置調理電路信號的流向參見(jiàn)圖1系統組成框圖。設計中，采用模擬開(kāi)關(guān)ADGl024對輸入信號進(jìn)行切換，并通過(guò)可編程增益放大器(PGA)AD8251進(jìn)行處理，通過(guò)增益為O．2的電平轉換16位ADC驅動(dòng)器AD8275，把±5 V的信號轉換成O．25～2．25 V的信號，極大地擴展了該數據采集卡的測量范圍，而簡(jiǎn)化了前置調理電路的設計，其電壓計算公式如下：

經(jīng)過(guò)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，使得采集系統的4個(gè)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(gè)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。