基于ADS1252的數(shù)據(jù)采集模塊設計

摘要：針對高精度數(shù)據(jù)采集模塊廣泛應用于高精度測量系統(tǒng)的需求，提出一種基于S3C451OB處理器，并以ADS1252為A／D轉(zhuǎn)換器的高精度數(shù)據(jù)采集模塊的設計方案。首先描述了ADS1252芯片特性；接著詳細描述了數(shù)據(jù)采集模塊電路的設計原理并給出了選用的主要芯片型號；最后詳細描述了數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計流程。目前已完成數(shù)據(jù)采集模塊硬件和軟件的設計，通過實驗驗證，此方案正確可行。
關鍵詞：ADS1252；83C4510B；數(shù)據(jù)采集；高精度測量系統(tǒng)

    現(xiàn)代醫(yī)療、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制往往需要對監(jiān)測點進行高速高精度的數(shù)據(jù)采集，高精度的數(shù)據(jù)采集模塊在其中得到廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集模塊的設計決定著測量數(shù)據(jù)的精度和可靠性，因此它是構(gòu)建高精度測量系統(tǒng)的基礎。本文提出一種基于ARM7處理器S3C4510B和A／D轉(zhuǎn)換器ADS1252構(gòu)建的高精度數(shù)據(jù)采集模塊的設計方案，并介紹了該方案的軟硬件設計。

1 ADS1252芯片特性
    ADS1252是美國BURR-BROWN公司推出的一款高精度、寬動態(tài)范圍、采用單+5 V電源供電、具有24位分辨率的單通道A／D轉(zhuǎn)換器。它采用差分輸入方式，對于低電平電壓信號接入非常有利；它采用4階∑-△結(jié)構(gòu)的調(diào)制器，可以得到寬動態(tài)范圍和24位無差錯編碼；它內(nèi)部有三階數(shù)字濾波器，可以濾除電源波紋和其他干擾；它的數(shù)據(jù)輸出率可隨系統(tǒng)時鐘的改變而改變，當數(shù)據(jù)輸出速率達到最大40 kHz時，仍具有19位的分辨率；它提供一個2線同步串行接口，可以方便的與微處理器連接。所有這些特點使得ADS1252非常適合用做高精度數(shù)據(jù)采集模塊的A／D轉(zhuǎn)換器。

2 采集模塊電路設計
    本數(shù)據(jù)采集模塊設計使用的微處理器是S3C4510B，它是三星公司針對網(wǎng)絡應用而開發(fā)的一款性價比很高的ARM7TDMI內(nèi)核的16／32位RISC微處理器，具有低成本和高性能的特點。本文以ADS1252測量電壓為例說明采集模塊電路的設計原理。S3C4510B與ADS1252的接口電路如圖1所示：其中CPU_TOUT1信號對應于S3C4510B定時器1的溢出TOUT1引腳，主要為ADS1252工作提供系統(tǒng)時鐘CLK；CPU_P1信號對應于S3C4510B的I／O端口P1引腳，主要為讀取ADS1252的有效數(shù)據(jù)提供串行時鐘SCLK；CPU_P2信號對應于S3C4510B的I／O端口P2引腳，主要用于檢測ADS1252數(shù)據(jù)是否準備好以及讀取有效數(shù)據(jù)DOUT而提供的串行數(shù)據(jù)引腳。

    由于S3C4510B的I／O引腳的工作電壓為3．3 V，而ADS1252的I／O引腳的工作電壓為5 V，因此S3C4510B的CPU_TOUT1，CPU_P1，CPU_P2信號不能與ADS1252的CLK，SCLK，信號直接相連。74HC245芯片是8路總線收發(fā)器，在發(fā)送和接收兩個方向上都具有正相三態(tài)總線兼容輸出，并且其輸入、輸出的工作電壓范圍是0～VCC。本設計通過74HC245芯片使S3C4510B與ADSl252的I／O引腳的工作電壓進行匹配，并使DIR=H且，令數(shù)據(jù)從A總線傳送到B總線。
    為了實現(xiàn)S3C4510B與ADS1252電氣信號隔離，本設計選用6N137高速光耦，它是電子線路中隔離電壓沖擊及噪聲串擾的優(yōu)選器件，具有體積小、隔離效果好、價格便宜、便于安裝等特點。
    REF195是一款精密、微功耗、低溫漂、高穩(wěn)定性的基準電壓源。本設計選用它為ADS1252提供5 V的基準電壓。ADS1252的差分模擬輸入V+，V-支持雙極性輸入，但本設計將V-引腳參考AGND，只允許單極性輸入，因此ADS1252的電壓測量范圍為0～5 V。本設計在V+、V-之間并接5．1 V的齊納二極管，當輸入電壓大于5．1 V時，可以把V+，V-兩端的電壓穩(wěn)定在5．1 V，從而起到保護ADS1252的目的。

3 采集模塊軟件開發(fā)
    采集模塊軟件的開發(fā)主要包括兩個方面：ADS1252驅(qū)動和采集任務軟件的開發(fā)。
3．1 ADS1252驅(qū)動的開發(fā)
    由圖2(a)可知，ADS1252的驅(qū)動開發(fā)主要包括I／O初始化、時鐘初始化、ADS1252初始化、ADS1252讀數(shù)據(jù)、校準數(shù)據(jù)。現(xiàn)分別介紹如下：

    (1)I／O初始化：由于S3C4510B的I／O端口P1、P2既可用作輸入口也可以用作輸出口，因此必須通過軟件對IOPMOD寄存器配置將P1設置為輸出口，用于產(chǎn)生ADS1252的串行時鐘；將P2設置為輸入口，用于讀取ADS1252的串行數(shù)據(jù)。
    (2)時鐘初始化：由于S3C4510B的I／O端口P17既可用作I／O口、也可用作定時器1的溢出TOUT1，因此必須通過軟件對IOPCON寄存器配置將P17設置為定時器1的溢出TOUT1；接著通過軟件對TMOD寄存器配置將定時器1設置為觸發(fā)工作模式；
最后通過軟件對TDATA1寄存器配置產(chǎn)生ADS1252工作所需的時鐘頻率。
    (3)ADS1252初始化：當ADS1252工作在某個頻率f(t=1／f)，首先通過軟件對P1端口置1使SCLK引腳保持高電平的時間TReset滿足4TDRDY≤ TReset<20TDRDY(TDRDY=384t)，那么ADS1252就會進入復位的狀態(tài)。接著通過軟件對P1端口置0使SCLK引腳變?yōu)榈碗娖?，此時ADS1252開始工作，它的串行數(shù)據(jù)引腳首先會進入Mode，接著進入DOUT Mode模式，之后在這兩種模式之間交替切換。
    (4)ADS1252讀數(shù)據(jù)：當對ADS1252進行初始化后，此時軟件通過對P2端口的輪詢檢測上升沿。一旦檢測到上升沿，表明ADS1252進入 Mode，該模式的持續(xù)時間。當軟件延時后，ADS1252進入DOUT Mode，該模式持續(xù)時間TDOUT=348t。在DOUT Mode期間，軟件對P1端口產(chǎn)生一個脈沖，即可從P2端口讀取到1位的數(shù)據(jù)。同理，即可獲取其余23位的數(shù)據(jù)。軟件必須保證在TDOUT時間內(nèi)讀完24位數(shù)據(jù)，否則ADS12 52將會進入下一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期。
    (5)校準數(shù)據(jù)：采集數(shù)據(jù)必須經(jīng)過校準參數(shù)K，B的調(diào)整才能匹配實際值。其中采集電路的校準原理是采用兩個恒定電壓作為基準，通過原始的采集數(shù)據(jù)和高精度電壓表實測電壓，進行比較計算，從而得出校準參數(shù)K，B。
3．2 采集任務軟件的開發(fā)
    VxWorks是美國風河公司開發(fā)的一款具有微內(nèi)核、高性能、可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)。本采集模塊軟件是基于VxWorks5．5操作系統(tǒng)進行開發(fā)的，為了滿足數(shù)據(jù)采集的實時性，采集任務被分配了最高的優(yōu)先級。由圖2(b)可知，采集任務軟件的開發(fā)主要包括采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)平滑處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、任務休眠?，F(xiàn)分別介紹如下：
    (1)采集數(shù)據(jù)：調(diào)用ADS1252驅(qū)動程序?qū)﹄妷哼M行多次采集。
    (2)數(shù)據(jù)平滑處理：除了在硬件上采取必要的抗干擾措施外，很有必要對多次的采集數(shù)據(jù)進行軟件濾波，但必須考慮因此造成的延時。在保證測量精度和實時性要求的前提下，在軟件處理上采取去掉最大、最小值，然后取平均的算法。
    (3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)：采集任務除了對數(shù)據(jù)進行采集以及平滑處理外，還必須將數(shù)據(jù)定時轉(zhuǎn)發(fā)到它的訂閱者，如通信模塊、顯示模塊等。
    (4)任務休眠：調(diào)用操作系統(tǒng)的taskDelay()函數(shù)，采集任務交出對CPU的控制權(quán)，以便讓其他任務得到運行的機會。

4 軟硬件調(diào)試
    當數(shù)據(jù)采集模塊的硬件和軟件設計完畢，需要對它進行軟硬件的調(diào)試以驗證其設計的正確性。數(shù)據(jù)采集模塊軟硬件調(diào)試按以下步驟依次進行：
    (1)ADS1252驅(qū)動調(diào)試：運行ADS1252驅(qū)動程序，首先用示波器監(jiān)測ADS1252的CLK引腳，觀察時鐘頻率的測量值是否與設定值一致。當CLK時鐘頻率設置正確，接著用示波器監(jiān)測ADS1252的SCLK與引腳，觀察這兩個引腳的時序是否正確。
最主要保證串行時鐘是發(fā)生在 Mode之后，否則將會讀取到錯誤的數(shù)據(jù)。
    (2)校準數(shù)據(jù)計算：在ADS1252驅(qū)動工作正常的前提下，首先用直流可調(diào)穩(wěn)壓源對ADS1252的差分輸入端分別輸出1 V，4 V的電壓，將ADS1 252采集的電壓分別記為VS1，VS2，同時將高精度電壓表測量的電壓分別記為VM1，VM2。接著通過對VS1，VS2，VM1，VM2的比較計算，得出校準參數(shù)K，B。
    (3)采集任務調(diào)試：當校準參數(shù)計算完畢，啟動采集任務對實時電壓數(shù)據(jù)進行采集。在0～5 V的范圍內(nèi)，用直流可調(diào)穩(wěn)壓源對ADS1252的差分輸入端輸出從低至高的電壓，此時采集任務通過printf()函數(shù)將采集電壓輸出到控制臺。通過對比用高精度電壓表測量的電壓值，可以計算出ADS1252的采集電壓誤差，從而判斷采集精度是否滿足要求。

5 實驗結(jié)果
    現(xiàn)使用廣東省電子技術(shù)研究所研制的GE／FC1燃料電池測試系統(tǒng)對質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)工作所需的氫氣及氧氣的流量、壓力、濕度控制到合適值，然后進行電流掃描測試。在測試期間，用基于ADS1252的數(shù)據(jù)采集模塊對電流掃描測試過程PEMFC的電壓、電流的動態(tài)變化數(shù)據(jù)進行記錄；同時用安捷倫數(shù)字萬用表測量PEMFC電壓、電流的某些特征值。
    由于實驗用的PEMFC采用單片Nation膜(截面積為2 cm×2 cm)組裝，其開路電壓不超過1．5 V。首先通過測試系統(tǒng)控制PEMFC氫氣及氧氣流量分別為0．1 SLPM，0．07 SLPM；控制PEMFC氫氣及氧氣背壓均為0．05 MPa；控制PEMFC氫氣及氧氣的露點溫度、氣體溫度分別為65℃，70℃。然后測試系統(tǒng)以1 mA的起始電流，按10 mA／s的增量對該PEMFC進行放電，并以“結(jié)束電流≥10 A”或“結(jié)束電壓≤1 mV”為條件結(jié)束測試。
    為了檢測10 A范圍的電流，本數(shù)據(jù)采集模塊通過檢測0．5 Ω測流電阻的電壓來間接計算出電流值。本數(shù)據(jù)采集模塊測量PEMFC的極化曲線如圖3所示，并且通過比較特征電壓電流的采集值及實際值，計算出電壓電流的采集精度均滿足±(0．5‰RD+0．5‰FS)，其中RD表示當前讀數(shù)值，F(xiàn)S表示滿刻度值。

6 結(jié)論
    目前已完成基于ADS1252的數(shù)據(jù)采集模塊軟硬件的設計及調(diào)試，并成功將軟件移植到VxWorks 5．5操作系統(tǒng)上運行。通過實時采集PEMFC電流掃描測試過程中的電壓、電流數(shù)據(jù)的實驗，表明基于ADS1252的數(shù)據(jù)采集模塊具有較高的采集速度和采集精度。長期嚴格的測試表明本數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件工作穩(wěn)定可靠。