摘要：基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP／CPLD／FPGA、DsP等先进Ic，本文融大动态范围程控模拟前端调理(AFE)、高精度采集与实时处理、自校准、自诊断、高速同步互联和测量、控制、通信、计算机(MC3)一体化，对开放型、模块化多通道高精度数据采集与实时处理模块的经典实现方法进行了深入分析。
关键词：开放型；多通道；高精度采集；实时处理
引言
数据采集与处理是现代仪器科学与技术的基础，是利用微电子技术、信息技术等领域的最新研究成果以解决信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析。其主要技术指标包括通道增益、带宽、采样速率、分辨率、精度、通道缓存、数据记录容量、实时性及通讯控制接口等。纵观历史，剖析现状，展望未来，可以预见：数据采集与处理系统将朝着高速度、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环境适应性和长寿命的“六高一长”的方向发展。基于先进IC技术，本文致力于融大动态范围程控模拟前端调理、高精度连续采集与实时处理、自校准、自诊断、高速同步互联和测量、控制、通信、计算机(MC3)一体化对开放型、模块化、数字化、多通道高精度数据采集与实时处理模块的经典实现方法作深入分析，并在实际应用中取得良好效果。
采集系统性能分析
“属性完整，量值准确”是数据采集与处理系统追求的终极目标。采集系统诸多技术指标中最为重要的是系统的分辨率、精度、动态范围与采样速率。采样速率取决于ADC(模一数转换器)本身，可通过器件选型来解决。而系统分辨率通常用最低有效位值(LSB)或ADC转换位数来衡量。动态范围(DR)和精度(衡量指标：相对误差)是决定系统设计成败的关键。根据各自定义公式：
分析可知：影响采集系统性能的主要因素是ADC转换位数和输入ADC的电压范围。为扩大系统测试动态范围和实现精密测量，除了选择性能优良的ADC芯片和充分抑制信号传输通道噪声外，还需要将大动态范围的输入电压信号经模拟前端进行程控精密调理，实现ADC最佳输入范围。同时加上通道自动调零和增益校准环节，动态补偿模拟通道系统误差，从而实现系统的最佳性能。
AFE经典设计及自校准方法
基于以上分析，为实现大动态范围内输入信号的高精度采集，采集通道模拟前端(AFE)应包括输入阻抗匹配、放大、衰减、滤波、偏置、自校准和调零等功能单元。本文从开放性、模块化与可程控角度出发，提出用MUX(复选开关)，PGA(程控增益放大器)，DCP(数字可控电位器)，LPF(抗混迭滤波器，包括集成式程控滤波器)，DAC(数一模转换器)、ISP(系统内可编程器件)／FPGA(现场可编程门阵列)构建经典高性能AFE，如图1所示。
经典AFE模块可作为一个独立的单元通过接受MPU／DSP的程控选择，在抑制噪声、将大动态范围(±IOV)电压信号调理到ADC的最佳输入范围的同时，可实现模拟通道的功能自检、自动校准(自动调零和标定)等。
基于最小二乘估计的数据采集通道自动校准方法如下。VrefAD和VrefAD分别为ADC和DAC的参考源，Vx1，是MUX模拟输出信号，Vx2是vx1经过经典AFE调理之后的输出信号，XAD是ADC输出的数字信号，XDA为DAC数字输入信号。根据电路中所采用IC的电气特性，可作如下假设：
①模拟复选开关(MUX)为理想状态，
即Vx1=Vin或Vx1=Vcal。
(1)
②信号调理电路的输入输出为线性关系，
即Vx2=A0Vx1+B0。
(2)
A0为信号调理电路的增益(当A0>1时，信号被放大；当A0<1时，信号被衰减)，B0为调理电路的零点漂移电压。
③ADC输入输出满足线性关系，
即XAD=A1Vx2+B1。
(3)
A1=2n-1/VrefAD(n为A／D转换器的位数)，B1为ADC转换偏差(当B1=O时，ADC处于理想状态)。
④VrefAD和VrefAD恒定。
⑤各器件的输入信号满足器件的要求。
在以上假设成立的情况下，由式(1)，式(2)，式(3)可得到XAD与Vin之间的关系式(4)：
即为数据采集通道的标定模型，A和B称为采集通道的标定系数。
模型参数A和B的辨识可通过输入标准DC信号()对一采集通道进行N次测量，建立起输入信号Vin和输出信号XAD之间的方程组，根据最小二乘法求解A和B。从性价比和系统紧凑度出发，可采用DCP+AMP的方式来代替集成PGA与DCP，使系统增益调整(包括程控放大和衰减)、自动调零和自动校准功能单元更加紧凑地融为一体，系统体积和功耗大为降低，与单片可程控增益放大器(PGA)相比，分档更细，价格更低。
总体设计
本着“经济、实用、可靠、先进性”原则设计模块化、开放型硬件平台。基于高性能的AFE经典实现方法，引用先进IC技术，高精度采集与实时处理模块主要包括基于信号程控选择(MUX，ADG509)、程控放大(PGA，PGA202)、程控衰减(DCP，X9312)、直流电平偏置、抗混迭滤波、和自校正参考源(DAC，MAX547／DAC7614)的大动态范围程控模拟前端(AFE)，基于ISP／FPGA的译码逻辑控制部分，基于FIFO一级缓存(在FPGA中实现)、SDRAM二级缓存和FLASH的数据缓存部分，高速ADC与高性能DSP小系统，以及外部通信控制接口部分等功能模块。可对大动态范围(－10V-+IOV)、微弱电压信号(10mv／div)进行智能化精密调理、高精度采集、同步缓存、实时处理以及高速数据传送。模块原理框图如图2所示。
在DSP与FPGA的控制下通道输入信号可自动切换为内部的DAC，用DAC产生特定的直流与交流信号作为标定信号，不仅可以标定通道的增益与零偏，而且可实现采集通道的功
能自检。另外根据实际需要，可方便地更换ADC器件、扩充FLASH为CF卡／硬盘等大容量存储器件以实现更高性能的系统。基于DSP&FPGA／CPLD的开放型设计，本模块既可自成体系，又非常容易拓展。外部通信接口可以RS232／RS485／IEEEl455／USB／LAN／CAN等方式建立起与PC或其它系统的无缝数字连接，辅以必要的物理电气接口设计，即可与标准PCI／VXI／PXI／LXI系统完全兼容。
工程实例
基于ADS8364的六通道高精度连续采集与同步传输模块研制
基于ADS8364的6通道高精度连续采集与同步传输卡实物图片如3所示，主要包括MUX、PGA、DCP、直流电平偏置、抗混迭滤波、六通道并行ADC、高速缓存(FIFO)及其自检通路、仪器总线接口等部分。通过MUX切换，可程控选择传感器信号、电压信号或内部标定、调零信号，以达到实现专用旋转机械振动测试和通用电压测试的双重目标，且可程控实现自动调零、自动标定和大动态范围信号的高精度调理(直流测量精度0．05％FS)。采用TI公司的模数转换器ADS8364，可实现16位数字分辨率、最大250KHz采样频率、采速程控可调250K／200K／100K／50K／20K／10K／5K／1KHz)的并行6通道连续采集。高速FIFO(IDT7205)实现16KB高速缓存，以满足外部控制器模块通过仪器总线接口实现多个数据采集卡的大容量数据流连续无失真采集和同步传输控制。
基于AD7721的八通道高精度采集与实时处理模块研制
如图4所示，基于AD7721的八通道高精度采集与实时处理模块主要包括前端模拟调理电路(AFE)、高精度串行ADC、FPGA、高速缓存(sDRAM)、触发定时控制、DSP、外部通信控制总线接口和PC监控调试接口等部分。主要适用于热电偶、应变片、压阻、热电阻等传感器初步调理的微弱电压信号或通用电压信号进行高精度程控调理、实时采集与处理。
由ADC、DSP和高速缓存SDRAM三者构成一个灵活紧凑的实时信号处理结构，保证DSP发挥高密度实时信号处理能力。FPGA主要实现AFE与AIX3控制以及8路高精度串行ADC(AD7721)输出数据的串并转换等。RS232接口为高精度采集和实时处理模块提供与PC机进行命令和数据交互的通道。基于仪器总线接口，可方便地实现多个模块的同步互联和无缝数字连接。
结语
本文充分应用微电子技术的最新成果，采用先进IC单元；本着“经济、实用、先进、软硬件一体化和ISP”的设计思想，结合DSP强大的信号处理能力，提出了通用性好、可移植性强的开放型多通道高精度数据采集与实时处理模块的经典实现方法，并用大量工程实例进行了验证。在x代步兵战车发动机综合参数动态测试系统、某型号高精度振动信号处理模块、以及军用ATE／ATS等中取得了良好的应用效果。在高端智能仪器仪表、网络型分布式测控系统特别是融数据采集、特征提取、测试数据实时压缩于一体的旋转机械状态监测与故障诊断中有着广泛的适用性。随着半导体技术与FPAA混合编程技术的发展，其模块化设计思路(AFE!ADC／FIFO／DSP／FPGA)可望在一片模拟数字混合SOC(ASIC)中实现，为现代测控设备带来新的变革。
参考文献
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