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[導讀]目前,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對采樣率、分辨率和抗干擾能力的要求越來越高。尤其是在典型的多路采集+多路開關+單路A/D轉換器的數(shù)據(jù)采集中,采集速度受到限制。為此,介紹了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。采用模擬開關級聯(lián)的方法,有效地達到了160路采集速度。采用該方法設計的采集卡能有效完成多路同步高速數(shù)據(jù)采集任務,且成功地用于某裝置的輸出信號檢測。

l 引言
    隨著科學技術和國民經(jīng)濟的發(fā)展,電能需求量日益增加,對電能質量的要求也越來越高。這對電能質量的監(jiān)測提出了挑戰(zhàn)。電能質量的監(jiān)測往往需要多通道數(shù)據(jù)采集,但因其覆蓋面積大,周期性強,采集數(shù)據(jù)量大,因此對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集、傳輸速度和精度提出了較高的要求。常用的數(shù)據(jù)采集方案往往采用單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器。以控制模數(shù)轉換器(ADC)、存儲器和其他外圍電路的工作。但因單片機自身指令周期及處理速度的影響,很難達到多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求,雖然DSP可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集,但在提高其速度的同時,也增加了系統(tǒng)成本?,F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以其時鐘頻率高,內部延時小,速度快,效率高,組成形式靈活等特點在高速數(shù)據(jù)采集方面有著單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢。


2 多路信號采集原理
   
圖1示出多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構。160路信號經(jīng)過低通濾波器和輸出跟隨器到多通道模擬開關,并由FPGA控制邏輯選通模擬開關.每次只選通一路,經(jīng)A/D轉換后存入存儲器。

3 開關與FPGA控制邏輯的連接
   
圖2a中ADG506是一個能選通16路信號的開關。系統(tǒng)中使用了10片ADG506。通過FPGA控制ADG506的使能端實現(xiàn)開關的選通。ADG506的18引腳是使能端,高電平有效。利用圖2b中的ENl~ENl0控制可實現(xiàn)10片ADG506的選通;利用A0~A3編碼可實現(xiàn)信號的選通。A0~A3的值是在0000時選通S1信號,依次類推,在1111時選通S16信號。該系統(tǒng)的時鐘是40 MHz,采樣率為500 kHz,每一路信號采集10個點,共采集160路。A0~A3取決于f_channel的低4位;ENl~ENl0取決于f_channel的其他位數(shù)。圖3給出程序流程圖。

4 時間計算
   
用于該采集系統(tǒng)中的電子開關,其導通時的觸點電阻約為400Ω,關斷電阻大于1 kΩ;引腳集成電容為30 pF;運放采用AD824,其輸入阻抗大于1013Ω。由此電容的充電過程為:

    電容的漏電過程為:


    由于共有192組跟隨電路,故條件t2≥192t1成立。其中式(2)和式(4)為開關導通與關斷時的約束條件。在紋波系數(shù)為1‰時,有exp(一t1/1.2×10-8)≤0.001、exp(一t2/300)≥0.999,因此tl≥82.9 ns和t2≤300 ms。顯然£l和t2不滿足約束條件t2≥192t1,所以一輪開關切換不能同時滿足式(2)和式(4)。為了提高精度,首先令t2<300 ms,以滿足式(4)條件。此時t1=1.56 ms。為了滿足式(2),必需使Ui一Uo’足夠小,經(jīng)過計算,經(jīng)1.56 ms時間電容可充到100%。
    總之,要求如下:①開關切換最慢不低于192/t2≈640 Hz;②無論切換快慢,開關時間都要求大于192x82.9 ns=15.92μs,紋波才會小于1‰;③該采集系統(tǒng)的采樣速率為500 Ks/s。

5 結語
   
由于整個系統(tǒng)的控制采用FPGA實現(xiàn),具有組織方式靈活的特點,可以依據(jù)現(xiàn)場的具體情況,對FPGA的內部配置進行修改并調試。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于多種數(shù)據(jù)采集的應用場合,是一種比較理想的實時數(shù)據(jù)采集方案。該設計已用于某裝置信號的采集系統(tǒng)中。實際應用證明,該采集系統(tǒng)完全滿足其多通道數(shù)據(jù)采集的要求。通過對典型單通道A/D采集系統(tǒng)的改進,在模擬開關級聯(lián)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。A/D轉換器的輸入端電容為多路開關的集成電容,其電容值較小。該改進方案提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精度。

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