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多功能數(shù)據(jù)采集卡具體介紹

閱讀：2733發(fā)布時間：2008-7-31

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
采集卡共用八個模擬輸入通道，每個輸入通道都具有獨立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級陷波器。其中每個帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個濾波器是否需要接入電路也可由單片機控制。程控增益放大器的放大倍數(shù)可由單片機分檔控制。模擬信號經(jīng)過濾波、放大電路后，在進入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換之前需經(jīng)過多級陷波器以消除50Hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級數(shù)也可由單片機根據(jù)使用環(huán)境選擇。采集卡的控制核心是SoC單片機C8051F020，其內(nèi)部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8選1模擬多路選擇器。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過EPP接口送到上位機。
程控濾波器原理及電路
本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級相同的濾波器級聯(lián)而成，每級由三個高精度、低失調(diào)、低噪聲運放OP07和兩個12位電流輸出DAC AD7533構(gòu)成。將AD7533的Iout2引腳接地，則其Vref和Iout1兩個引腳之間等效為一個受DATA9~DATA0控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，等效電阻為：，其中R為DAC芯片電阻網(wǎng)絡(luò)的單個等效電阻值，對于AD7533為10kW；n為DAC的位數(shù)，對于AD7533，n=12；D為DATA9~DATA0對應(yīng)的二進制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當(dāng)取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW時，中心頻率用SoC單片機的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通過改變DATA0~DATA9的數(shù)值改變REQ，進而改變?yōu)V波器的中心頻率。
將兩級電路級聯(lián)起來，構(gòu)成圖2中的完整電路，可以進一步提高品質(zhì)因數(shù)。表1中列出了D取不同值時，實際測得的中心頻率和-3dB處的頻率，反映出該電路不但可以高精度地控制中心頻率，而且具有很高的Q值。
陷波器電路
50Hz交流電干擾是數(shù)據(jù)采集中不可避免的嚴重問題，采集電路中必須設(shè)置50Hz陷波器，將以差模形式串入的50Hz及其諧波濾除。
圖3為二階雙T型50Hz陷波器電路，陷波深度-40dB以上，Q值約為3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C時，陷波器的中心頻率為：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF時，中心頻率為50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF時，中心頻率為150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF時，中心頻率為250Hz。這樣就構(gòu)成三級陷波器，每級陷波器又受一單刀雙擲模擬開關(guān)ADG419控制，SoC單片機可選擇將哪一級或哪幾級陷波器接入電路。該電路經(jīng)過測試與實際應(yīng)用，證明對50Hz及其諧波具有*的抑制能力。
程控增益放大器
程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器PGA202，它具有較高的共模抑制比（增益為1時，CMRR優(yōu)于80dB），單位增益帶寬為1MHz。其可編程增益有×1、×10、×100和×1000四檔，受A0、A1兩引腳控制，將這兩個引腳接入SoC單片機的I/O口，即能實現(xiàn)單片機對PGA202增益的控制。
C8051F020單片機內(nèi)部集成ADC
C8051F020內(nèi)部集成有12位的ADC0，其轉(zhuǎn)換速率zui大可達100ksps，與內(nèi)部8選1 MUX結(jié)合起來使用，即可構(gòu)成8通道的ADC。初始化ADC0時，8051內(nèi)核對特殊功能寄存器AMX0CF寫0x60、對ADC0CF寫0XF8、對ADC0CN寫0x80，即配置為8通道單端模擬輸入、內(nèi)部PGA增益為1、A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果字右對齊。當(dāng)對寄存器REP0CN寫0x02時，啟動ADC0。ADC0轉(zhuǎn)換完畢后會產(chǎn)生第15號中斷，中斷向量為0x007B，8051內(nèi)核在中斷服務(wù)子程序中讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存在寄存器ADC0H（高4位）和ADC0L（低8位）中。
輸入通道與單片機的接口
C8051F020具有64個I/O引腳，足以用于對外部輸入通道各個功能的選擇，其中P0.0~P0.7和P4.0、P4.1接到DAC，用于選擇程控增益放大器的增益選擇。P4.2和P4.3接到程控增益放大器PGA202的A0、A1兩個引腳，用于增益的選擇。另外，程控濾波器和多級陷波器每一級的前端都有一單刀雙擲模擬開關(guān)ADG419，ADG419是低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為35W，受控引腳IN為“0”時開關(guān)1導(dǎo)通、開關(guān)2斷開，IN為“1”時開關(guān)1斷開、開關(guān)2導(dǎo)通，開關(guān)時間為30ns。每個通道各有四個ADG419，將同一級八個ADG419的IN引腳連在一起（因有8個通道），接到C8051F020的P4.4~P4.7，這樣，通過單片機的P4.2~P4.7引腳，就能實現(xiàn)多功能的選擇。

結(jié)語
基于SoC單片機的多功能數(shù)據(jù)采集卡，為數(shù)據(jù)采集提供多種功能，以適應(yīng)可能遇到的不同測試條件。本設(shè)計達到如下參數(shù)指標(biāo)及功能：每通道zui大采樣率為100ksps；幅值精度優(yōu)于5mV；濾波器可選中心頻率為32Hz、64Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz，控制精度優(yōu)于2.4%，Q值優(yōu)于5；陷波器可選中心頻率為50Hz、150Hz、50Hz，陷波深度-40dB以上。
C8051F020豐富的硬件資源使得進一步擴展功能而不改變硬件電路成為可能，如內(nèi)部PGA，還可用來進一步微調(diào)放大倍數(shù)，只需改變寄存器ADC0CF的值即可。將ADC0工作方式改為窗口比較方式可進一步提高MCU效率，以便實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換等等。C8051F020的在線編程方式也為在線改變軟件提供了方便。

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