基于單片機的高分辨率多通道數據采集系統
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摘要 為了實現對傳感器輸出模擬信號的數字化處理，本文詳細介紹了一款基于STC89C54單片機和AD7734芯片的三通道數據采集系統。本系統能夠同步對三路模擬電壓數據進行24位采集，測量范圍為±10V（電壓分辨率1.192μV），采樣頻率50Hz。本系統具有SD卡實時存儲和串口通信功能。實驗結果表明，本系統測量平均相對誤差為0.007%，非線性度為0.002%FS，均方根噪聲為44.754μV。
【關鍵詞】多通道 高分辨率 單數據采集 AD7734
傳感器是能夠感受被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件。對于大多數具有特定功能的傳感器，其輸出信號多為連續的模擬電壓信號，而對模擬信號進行數據傳輸和數據分析時則需要將模擬信號轉換為數字信號，因此需要一個低噪聲、可靠性高的數據采集系統來提供技術支持。AD7734系列芯片是一種基于通信編碼理論與數字信號處理技術的新型Σ-Δ型AD芯片。本文基于單片機STC89C54和AD7734設計了一款高分辨率的三通道數據采集系統，可實現對三路模擬信號進行高精度的同步轉換操作，具有效率高、功耗低、功能強大和成本低廉的特點，并具有電池接口，可擴展配備電池用于長期野外工作。
1 系統組成和工作原理
本系統由電源模塊、AD采集模塊、單片機控制模塊（包括顯示及存儲）和串口通信模塊組成，擁有三通道同時輸入采樣能力。前端功能傳感器輸出三路模擬直流信號，經三路AD采集電路轉換為三路數字信號，再通過單片機控制對數據進行實時存儲及顯示，同時將采集到的結果由RS232串口發送給上位機進行后續處理。
2 系統硬件設計
系統硬件電路由四部分組成：電源電路、AD轉換電路、單片機控制顯示及存儲模塊電路和串口通信電路。
2.1 電源設計
本數據采集系統的電源電路由數字電源和模擬電源組成，二者分別為數字電路和模擬電路供電。此處采用兩片低壓差線性調節器LM2931，其最小輸出電壓值為4.75V，典型值5V，反向電壓瞬變保護可達-50V，工作溫度在-40至125°C。模擬和數字部分均采用+5V分別供電。數字地與模擬地之間用零值電阻隔離，防止數模信號相互干擾，同時利用LED燈與限流電阻構成提示電路，用來判斷系統是否上電。
2.2 AD采集電路設計
AD采集電路由單片機STC89C54控制AD7734來實現。AD7734芯片是一款高精度、高吞吐量的數模轉換芯片，工作溫度為-40°C-105°C，擁有±0.0024%的非線性度，該芯片采用Σ-Δ架構，適合高分辨率多路復用應用。AD7734芯片內部具有15個寄存器供用戶設置芯片的特性參數，寄存器的數據長度最高可達24位，當輸入電壓范圍配置為±10V時，數據21位有效。設置AD7734芯片采樣率小于200Hz時，采樣結果的均方根噪聲小于9.6μV。
本系統的AD時鐘采用6M無源晶振外部時鐘源。AD7734芯片由單片機STC89C54的I/O進行配置和控制數據交換。AD780芯片提供+2.5V的AD基準電壓。
2.3 單片機控制電路
本系統采用單片機STC89C54作為中央處理器，其采用中斷和串行方式與AD芯片及顯示電路通信。同時采用模擬SPI通信協議與存儲模塊（SD卡）實現通信。
2.3.1 單片機最小系統根據
AD7734芯片的數據手冊，其引腳SCLK為單片機向AD7734提供的時鐘信號;CS為單片機向AD7734提供的使能信號;RESET用于給AD7734進行復位的信號;DIN與DOUT分別為單片機數據輸出端與輸入端，對應AD7734的數據輸入端與輸出端;RDY為AD7734轉換完成標志信號，當AD7734完成模數轉換以后，RDY信號變成低電平，此時單片機通過DOUT可以對AD7734進行讀數據操作。
2.3.2 顯示、存儲及通信模塊本系統選取
LCD1602作為液晶顯示，通過STC89C54控制I/O口進行數據輸出顯示，并可將數據通過模擬SPI發送至SD卡進行存儲，且可以通過RS232通信模塊發送至上位機進行處理。
3 系統軟件設計
系統上電后首先進行系統初始化，包括對單片機外圍負載的初始化、AD7734的初始化及串口初始化。本系統采用單片機外部無源晶振，系統時鐘頻率為11.0592MHz，然后設置AD7734的三個通道AIN0、AIN1、AIN2進行數模轉換，配置電壓輸入范圍為±10V，單片機為AD7734芯片的SYNC引腳提供一個同步信號，每個通道設置為連續轉換模式，各通道起止工作時間的差值不大于0.7ms，所有通道轉換完成后RDY拉低。當AD轉換操作啟動以后，系統讀取FLASH參數，根據保存的參數進行AD采集，若啟動采樣之前沒有進行參數設置，則根據默認參數進行AD采集。信號采集系統的采樣速率為50Hz，系統對AD轉換芯片AD7734傳輸結果進行累加、平均等數據處理，最后發送給上位機。
4 原理樣機測試
4.1 量程、線性度及測量誤差
本次實驗采用DCP8325L帶電子負載的精密程控電源提供電壓輸入信號，標準值由Tektronix泰克DMM4040六位半臺式高精度萬用表測量得到，測量值由上位機自動計算得到（忽略不穩定輸出位），所得樣機輸出電壓與標準電壓值做最小二乘線性擬合，與擬合直線相比，最大偏離值與最大量程之間的比例定義為輸出的非線性度。本樣機測試結果與標準值的平均相對誤差絕對值約為0.007%，非線性度約為0.002%FS。
4.2 分辨率及噪聲測量
根據24bit芯片AD7734的數據手冊及實際測量的電壓數據結果，本樣機最小分辨率可達到1.192μV。采用公式法對采集的電壓值進行功率譜估計。將隨機序列x（n）的N個觀測數據視為一能量有限的序列，取最接近數據長度的2的整數次方作為FFT變換長度，直接計算x（n）的離散傅立葉變換，取幅值以后計算x（n）真實功率譜的估計。本次噪聲測試數據采集頻率為50Hz，采集時間為10分鐘，通過串口轉換器PL2303將數據上傳至PC端。根據標準值及測量結果求出數據真值矩陣，再由測量結果數據矩陣減去真值矩陣得到誤差，最終計算所得到系統的均方根噪聲為44.754μV。
5 結束語
本文從軟硬件兩方面設計思路出發，介紹了一款基于STC89C54單片機與高精度AD轉換芯片AD7734的多通道數據采集系統。經測試，本系統電壓測量范圍為±10V，測量結果相對標準值的誤差均值為0.007%，非線性度為0.002%FS，采樣率為50Hz，測量分辨力為1.192μV，均方根噪聲為44.754μV。系統能夠用于需要較高精準度且要求多路復用的標量檢測裝置或矢量測量設備，如高精度電子溫濕度計、高速飛行顯示器或三軸磁通門磁強計等。
參考文獻
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