ADS8344和FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集前端

    數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測(cè)試系統(tǒng)中是一個(gè)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(dá)16位，能夠?qū)?個(gè)外部模擬通道進(jìn)行A／D采樣，最大模擬輸入信號(hào)范圍達(dá)到-15～+15V。該系統(tǒng)具有限幅保護(hù)功能，程序編寫簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(dòng)、停止和查詢ADC狀態(tài)等，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)84dB，自帶采樣／保持電路，包含8個(gè)單端模擬輸入通道(CH0～CH7)，也可合成為4個(gè)差分輸入。參考電壓VRFF的范圍為500mV～VCC，相應(yīng)的每個(gè)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(dāng)FPGA讀取完ADC上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，下一個(gè)轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了DIN引腳。一個(gè)完整的控制字節(jié)需要8個(gè)DCLK時(shí)鐘。寫完控制字節(jié)的同時(shí)，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(gè)DCLK時(shí)鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的LSB位時(shí)，下一個(gè)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(gè)DCLK時(shí)鐘。ADS8344串行接口時(shí)序如圖2所示。

1．2 信號(hào)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(gè)運(yùn)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(hào)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(hào)；VREF由電壓基準(zhǔn)源提供，在圖中是+2．5V；VIN為輸入的一15～+15 V電壓信號(hào)。當(dāng)R3=6R1、R4=6R2時(shí)，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(hào)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(jì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá)40 km，傳輸速率最高達(dá)11 Mbps，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行無線傳輸。遠(yuǎn)端的無線接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)后送到FPGA進(jìn)行無線信道解碼、異步數(shù)據(jù)解碼等處理，恢復(fù)A／D采樣數(shù)據(jù)，然后或者送到D／A電路進(jìn)行模擬量輸出，或者重新進(jìn)行異步數(shù)據(jù)編碼送到PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了FPGA硬件描述語言編程和PC機(jī)應(yīng)用程序。
2．1 FPGA編程
    FPGA編程使用VHDL語言，主要包括對(duì)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(shí)現(xiàn)SPI接口間的通信，對(duì)ADS8344的數(shù)據(jù)讀寫僅用兩個(gè)進(jìn)程就可以實(shí)現(xiàn)。部分程序如下：
(1)寫數(shù)據(jù)進(jìn)程

    程序中的8位控制字節(jié)是在另一進(jìn)程中根據(jù)用戶要求進(jìn)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(shí)，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(shí)，為單端輸入i為低時(shí)，為雙端差分輸入。
    PDl～DO——功率管理選擇位。
(2)讀數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)重新編碼。用FPGA實(shí)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(jìn)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(gè)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(jī)以指定速率接收到如表l格式的4個(gè)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(jī)對(duì)數(shù)據(jù)可做進(jìn)一步的處理。
2．2 PC機(jī)編程
    PC機(jī)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(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解封裝，顯示，控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)行、停止，設(shè)置一些相應(yīng)的參數(shù)，以及進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)分析處理。

3 結(jié)論
    該系統(tǒng)綜合運(yùn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸技術(shù)，將兩者相結(jié)合應(yīng)用在遠(yuǎn)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(yàn)中的飛艇與地面間的數(shù)據(jù)采集傳輸。實(shí)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。