信号调理数据采集论文范文

1信号调理电路

信号调理电路根据功能分为输入保护电路、抗混叠低通滤波电路、衰减电路、增益电路和电压抬升电路。(1)输入电压幅值最高在24V，为防止输入电压超出可测范围，在输入端采用两个24V的稳压管支路进行电压钳位保护，并且分别在两个支路串联不同颜色的发光二极管以显示正反向超压。(2)为了消除高频噪声信号和被测信号中的高频成分对信号采集的混叠效应，设计了二阶低通抗混叠滤波电路。为保证较好的抗混叠效果和测量带宽，设定滤波器的截止频率为300kHz。滤波电路形式固定如图2所示，其频域传递函数为。由式可得滤波器的截止频率fp≈0．64f0，fp=300kHz，得RC=3．4×10－7s。通过multisim仿真比较确定参数值。抗混叠低通滤波电路如图2所示。(3)LM3S9B96的ADC的输入电压范围是0V～3V，要实现采集0V～±24V的输入信号需要对信号进行衰减处理，衰减网络采用兆欧级精密电阻组成，其中固定电阻设定为1MΩ。这里选择8，4，2，1四级衰减，后期处理的数据可以通过移位操作进行数据还原。电路实现选用OMRON公司G5V－1小信号继电器作为开关控制，根据上位机传输的命令来选择合适的电阻支路。具体的数值对应关系如表1所示。(4)为满足采集小信号的需求，采用TI公司的增益可编程仪表放大器PGA205。PGA205具有四级数控增益，数控端直接连接到微控制器的I/O引脚［5］。输入幅值、放大倍数和数控端的对应关系同上述衰减电路类似，这里不列表赘述。增益电路如图3所示，PC4、PC5为数控端。(5)信号经过衰减和放大电路的调理后电压范围为0V～±3V电压信号将信号调理至0V～6V范围，再经过比例运算电路做1/2分压处理。运放选择TL052，是由TI公司生产的低失调加强型的JFET运算放大器，相对于TL07和TL08系列具有更快的转换速度。

2电源供电系统

本文中需要三级电源供电:3．3V，5V，±10V。5V电压通过SPX1117－3．3V稳压芯片转变为3．3V为系统供电，±10V要是给可编程放大器PGA205和运放TL052供电，该电压需要5V电压经过Boost升压电路得到，设计选用TPS61040开关电源芯片，其为低功耗的DC/DCBoost转换芯片，内部集成开关管，开关频率可达1MHz，输出电压纹波低［6］。双电源供电电路如图4所示。

3系统软件设计

本文软件设计任务主要是LM3S9B96芯片的初始化和内部各模块之间的逻辑控制，包括根据上位机的指令来设定调理电路。数据采集系统总的软件任务框图如图5所示。信号调理任务负责根据上位机发出的指令完成调理电路的设定;采样任务实现对模拟信号的采集;数据转移存储任务负责将数据从ADC转移到内存，再转移到USB缓存。数据转移任务利用DMA来实现，DMA的工作模式分为基本模式、乒乓模式和外设散聚模式，为了ADC采集不丢失数据，本文采用了乒乓模式，在程序设计时创建主数据结构体和副数据结构体交替接收数据，高效的完成数据转移任务;数据传输任务负责将数据从微控制器通过USB总线传输到上位机。USB总线标准是在1994年由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出，包含了四种基本数据传输类型:控制传输、批量传输、中断传输和等时传输，本文需要向上位机传输大量数据，选择批量传输模式(BULK)传输数据［7］。基于LM3S系列芯片，TI公司提供了多层次十分丰富灵活的USB驱动库，简化软件的实现。

4上位机软件设计

NIVISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，VISA总线I/O软件是一个综合软件包，不受平台、总线和环境的限制。VISA是NI公司随LabVIEW配套提供的，从3．0版本开始支持USB通讯，根据是否符合USB测试和测量协议，VISA分为两种VISA类函数，可以控制两类USB设备:USBINSTR设备和USBRAW设备。这里使用USBRAW设备。利用VISA驱动程序开发向导产生INF文件用来通知Window系统将NI－VISA用作USB设备的默认驱动，完成之后才可以正常和下位机通讯。USBRAW类设备的读写时序为(1)ViOpen打开VISA设备;(2)ViProperty设定VISA设备的属性节点参数(指令端点和传输方式);(3)ViRead读写USBRAW(发送命令和设定字数);(4)ViClose关闭VISA(释放VISA设备所占资源)。上位机程序总体分为指令接受程序，数据接受程序、数据处理程序和波形显示程序。数据处理程序框图如图6所示。

5系统测试与结果

为了测试系统的可靠性，本文使用数字合成信号发生器DF1405模拟传感器输出信号作为数据采集系统的测试信号。经测试，设计系统完整实现了设计要求。5V10kHz正弦波测试结果如图7所示，通过点击Save控件可以完成数据的存储。

6结束语

从本文的硬件设计上看并不复杂，直接使用了集成AD的LM3S9B96芯片为主控制器，综合了USB总线技术和功能强大的LabVIEW平台，相对于传统的示波器，这将大大减少了数据采集系统的成本，并且能够满足中低频的数据采集需要。经过测试证明，设计方案高效，可靠，性能良好，具有较高的使用价值。

作者：丁君武殳国华张斌斌单位：上海交通大学电子信息与电气工程学院