基于SoC實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)詳解

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（首字母縮寫為DAS或DAQ）首先對放大、電平轉(zhuǎn)換等原始信號執(zhí)行相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)，然后再進行信號數(shù)字化和存儲，從而實現(xiàn)對溫度、壓力和濕度等現(xiàn)實世界信號的測量。數(shù)字信號通常被定期發(fā)送到另一個數(shù)字系統(tǒng)執(zhí)行進一步處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的部分應(yīng)用實例包括：天氣監(jiān)測以及對地震儀、壓力、溫度和風(fēng)力風(fēng)向的記錄等。將這些信息饋送到計算機，用于預(yù)測雨水以及地震和破壞性強風(fēng)等自然現(xiàn)象及災(zāi)害。DAS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括可跟蹤心電圖（ECG）或腦電圖（EEG）信號等的患者監(jiān)護系統(tǒng)。

典型的DAS系統(tǒng)包含如下組件：

● 傳感器：將真實世界現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成等效的電氣模擬信號

● 信號調(diào)節(jié)電路：將來自傳感器的信號改變?yōu)榭蓤?zhí)行數(shù)字化的形式

● 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：將已調(diào)節(jié)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式

● 存儲與轉(zhuǎn)發(fā)存儲器：用于存儲在后期將被轉(zhuǎn)發(fā)至另一系統(tǒng)的數(shù)字信號流

● 通信接口：將數(shù)字流傳輸至其它系統(tǒng)的經(jīng)由通道

● 微處理器系統(tǒng)或微控制器：排序并控制所有其它組件

圖1顯示了基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖。這些內(nèi)部模塊的詳細內(nèi)容將在下一章節(jié)中進行闡述。

圖1：從單個傳感器獲取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的子系統(tǒng)

a） 傳感器：

如前所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠跟蹤溫度、壓力、濕度、流速等物理參數(shù)。由于在電子域中處理非常靈活，因而需要使用適當?shù)膫鞲衅鲗⑦@些參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電流或電壓變化等可測量的電氣量。例如，熱敏電阻、電阻式溫度檢測器（RTD）等傳感器會隨著溫度的變化而相應(yīng)改變其阻值，而應(yīng)變計等壓力傳感器則會根據(jù)所施加的壓力相應(yīng)改變阻值。這些均可通過惠斯通電橋（wheatstone‘s bridge）［1］轉(zhuǎn)換成電氣量（例如電壓）。

表1列出了一些在DAQ中監(jiān)控的通用物理參數(shù)以及所使用的適當?shù)膫鞲衅鳌?/p>

表1：常用的電子傳感器。

b） 隔離：

信號采集應(yīng)用在處理超高電壓信號時會造成系統(tǒng)毀損。強烈推薦使用變壓器對高電壓進行降壓轉(zhuǎn)換，也可使用光隔離等其它保護電路［2］。

c） 信號調(diào)節(jié)：

盡管傳感器在對所監(jiān)控的信號進行電氣解讀方面具有非常寶貴的價值，但是其可用的電信號幅值水平卻非常低，通常僅為可計量信號的1/10^6或1/10^3。

除了電氣信號測量值的問題以外，一些不相干的外部干擾也會被傳感器拾取并加大噪聲。如果事先知道這些信號的頻率范圍，就可以設(shè)計適合的濾波器來清除噪聲。對于特定位置的溫度監(jiān)控等應(yīng)用而言，溫度不會隨著時間的推移發(fā)生顯著變化，例如大部分都是變化緩慢且頻率低。因此，在將輸入信號提供給高增益放大器之前有必要先將其饋送到低通濾波器（LPF）進行濾波。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常會同步跟蹤并行環(huán)境中的眾多信號，并使用單獨的傳感器測量每一種數(shù)量值。如圖1所示，如果每種參數(shù)都采用單獨的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行測量，那么總體系統(tǒng)就會變得非常龐大。此外，由于測量到的信號量變化非常緩慢，因此無需對這些信號進行持續(xù)監(jiān)控，這樣我們就可以利用統(tǒng)一的通道多路復(fù)用不同的已調(diào)節(jié)信號輸出，以實現(xiàn)進一步處理，如圖2所示。

圖2：N通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方框圖。

d） ADC：

由于處理數(shù)字信號簡單易行，因而需要將模擬多路復(fù)用器中出來的多路復(fù)用信號輸入饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC的所需分辨率完全取決于應(yīng)用需求，但其采樣率則取決于輸入信號的帶寬。我們假定通道1的帶寬是f1，通道2是f2，……通道N是fn，那么N通道多路復(fù)用的模擬輸入則被饋送至ADC，采樣頻率應(yīng)為

Fs ≥ 2 * max （f1， f2， …， fn）。

Fs = k * max （f1， f2， …， fn）， k≥2

推薦使用較大的k值，以便讓數(shù)字解碼的信號能夠緊密跟蹤模擬信號且不會丟失任何有效數(shù)據(jù)。

有人也許會感到奇怪，在對信號進行多路復(fù)用之前為什么不單獨數(shù)字化各個通道。假設(shè)我們的某個應(yīng)用需要監(jiān)控10個左右的通道，如果在進行多路復(fù)用之前對信號進行數(shù)字化，那么不得不使用10個單獨的ADC（每個通道分配一個），這樣就需要10個單獨的ADC IC。

對于上述提及的ADC使用方法，需要考慮的一大重要問題就是溫度、壓力等各種參數(shù)在不同實例下進行采樣的情況，即溫度處于時間“t”，壓力處于“t+Δt”，其中Δt = 1 / Fswitch，而Fswitch = 多路復(fù)用器的開關(guān)頻率 = Fs/N。如果在“t”和“t+Δt”之間環(huán)境條件發(fā)生突變，那么初始時間點測量的溫度讀數(shù)無法反應(yīng)出這種變化，而在“t+Δt”測得的壓力讀數(shù)才能反映出這一突然變化。如果需要在相同情況下測量所有的物理參數(shù)，那么將信號饋送至模擬多路復(fù)用器之前需要在每個通道中運用單獨的采樣與保持電路。觸發(fā)信號應(yīng)被同時饋入所有通道的采樣與保持電路中，觸發(fā)信號的頻率應(yīng)為Fswitch/N，其中N表示通道的數(shù)量。這類系統(tǒng)也被稱為時間同步系統(tǒng)。

模擬多路復(fù)用器的開關(guān)頻率由所用的通道數(shù)量控制，并需要考慮采樣速率。但是，開關(guān)頻率還需要受ADC轉(zhuǎn)換時間參數(shù)的限制。

實例：

如果ADC的工作時鐘頻率是FADC，而且每次轉(zhuǎn)換需要“L”個時鐘周期進行采樣，“M”個時鐘周期進行轉(zhuǎn)換，那么

以上條件可被解讀為兩種情況：

1. 如果“M”和“L”非常大，那么加到ADC的時鐘要求就會更高。

2. 具有較大“L”和“M”的ADC固定時鐘會限制Fswitch，這樣反過來也會限制被監(jiān)控信號的信號帶寬。

這一條件并非強制性的。如果前一個通道已經(jīng)完成采樣階段并開始進入轉(zhuǎn)換階段（假設(shè)ADC具備此功能），我們就可以將多路復(fù)用器切換到下一個通道。在這種情況下

使用PSoC（片上可編程系統(tǒng)）實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

除了外部傳感器、隔離器和存儲PC外，以上系統(tǒng)一般需要‘N’個低通濾波器、‘N’個高增益放大器、‘N’個采樣與保持電路、1個外部N:1模擬多路復(fù)用器、1個ADC芯片（帶外部參考電壓）和1個可用來讀取數(shù)字數(shù)據(jù)并通過RS-232接口將讀數(shù)傳送到PC的專用MCU。總的來說，需要‘3N+2’顆芯片；如果我們需要監(jiān)控10個通道的信號，那么實際需要32顆芯片，這樣會使系統(tǒng)過于龐大和昂貴。

我們能用一個片上可編程系統(tǒng)替代32顆芯片，將材料成本降低‘3N+1’倍。表2列出了采用可編程SoC實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的組件列表及其主要特性。

表2：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中所用PSoC和其它MCU的對比。

圖3：采用PSoC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概覽。

圖4：采用內(nèi)置運放和外部電阻器與電容器的二階低通濾波器（參考圖3中的連接方式）。

圖3顯示了采用賽普拉斯PSoC 3/5構(gòu)建的系統(tǒng)的內(nèi)部原理圖，以及對各模塊的解釋。采用PSoC 3/5構(gòu)建該項目時所使用的工具為PSoC Creator。