嵌入式信号调理器的数据采集模块设计
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摘要：数据采集模块是组建VXI自动测试系统中最常用的测试模块，本文中介绍了在数据采集模块上实现即插即用信号调理器的方法，并对数据采集模块中关键电路的设计方法进行了详细说明。
关键词：数据采集；ADC；信号调理
引言
在“航空发动机试车台测试系统”及“涡扇发动机整机试验极限参数综合测试系统”中需要测试的发动机信号种类很多，包括电压、电流、电阻、温度、压力和应变等信号，现场连接的传感器类型复杂，组建VXI自动测试系统变得非常重要。而数据采集模块是VXI系统中常用的模块。V1202是64通道扫描式数据采集的VxI模块，本文将V1202应用到ATE中，不仅可以实现多种类型信号的测试，减小了ATE的体积；而且更加便携方便，有较好的实用价值。
模块主要技术指标及原理
本文研制出高可靠、高性能、使用灵活方便的实用化VXL总线C尺寸64通道扫描式数据采集模块，它基于VXI寄存器基接口，支持多种信号调理功能，采样速率为100kHz特点。
数据采集模块的原理框图如图1所示。从硬件结构上分，该模块包括以下部分：高速数据采集和转换电路、DSP系统、模拟信号的输入、调理及选择电路等。
内置式信号调理模块与
数据采集模块接口
从图1可知，外部模拟信号经过信号调理器(SCP)后再经多路开关进入ADC单元完成数字转换。SCP模块有即插即用功能，可根据输入信号的传感器类型进行更换。
从机械结构上，数据采集模块和信号调理模块采用AMP的50芯连接器板对板连接，通过串行通讯方式实现VXI,总线模块对ScP模块的控制，传输多种控制参数和ScP模块，返回给ADC状态信息。数据采集模块与SCP模块间的通信协议采用FPGA设计技术实现。
嵌入式GPU实现强大的
数据处理能力
模块采用150MHz高速DSP芯片TMS320C6711，采用McBSP口的接收中断启动DSP的DMA传输，完成对采集数据的预处理操作，并将最终数据存储到板上FIFO和CVT中。
为了抑制和消除噪声的影响，保证测量精度，在模拟信号的输入电路中，选用低噪声运算放大器LT112，实现全差分平衡方式输入，确保电路具有很高的抗共模能力，滤波器也采用差分电路设计，以降低增益级后的系统噪声带宽，提高信噪比。
高精度数据采集
数据采集的关键是ADC芯片，在本文电路设计中，采用CS5101A实现模数转换功能。CS5101A有极好的线性度(0.01％)，它内置采样保持器，无需外部跟踪和保存放大器。该转换器有较好的电源噪声抑制能力，可以达到90dB。CS5101上自校准电路可达到0.001％FS的非线性，保证在整个特定温度范围内的16位无编码遗失，且在校准周期内，偏移量和满标误差被最小化，无需外部修正。
这里使用DSP的McBSP口接收ADC转换的数据，以串行方式传输。
为消除小的浪涌输入电流引入的误差，使用运算放大器OPA627作为ADC的外部缓冲器。OPA627具有响应速度快和低输出阻抗低的特点。它对负载瞬变的响应快于ADC的采样时间，从而避免带来转换误差。
程控校准技术
在模块上配备高精度参考电压源作为校准通道的标准电压信号，电压范围在-12V～+12V之间。在设计中采用16位的DAC芯片AD5547及放大电路来实现程控可调电压源功能。首先利用计算机程序标定DAC及其辅助电路的输出，即实现对板上参考电压源的校准，之后在DSP控制下根据配置的SCP类型，调整参考电压源的输出，并将电压信号切换到模拟输入通道，自动完成各个通道及其不同增益下的校准，将校准结果存入校准存储器和FLASH中，供正常测量时调用。一次最多可存储5档增益64个通道的校准结果。
EU转换
VXL总线的数据采集模块支持多种物理量测量，包括热电偶、热电阻等。因此，在模块中配有64张EU转换表，每个通道均有独立的EU转换表。DSP根据SCP的输入信号类型，通过查找EU转换表，可实现工程单位转换和传感器的非线性校正，或实现用户所要求的其他转换。EU表存储在板上FLASH中，模块初始化时完成向板上内存区的加载。
在查表过程中，数据采集模块采用线性内插算法进行计算。如果电压(电流)值超过EU表的范围，数据采集模块采用线性外延的算法计算工程物理量。
仪器驱动设计
本模块软件内容包括VXI总线数据采集模块的VXIPnP驱动程序和数据采集软面板程序。程序设计主要集中在仪器软面板、应用程序接口和仪器I/O操作的编写等方面。驱动软件是直接对数据采集硬件系统进行操作的软件层，对系统的操作以及和计算机资源的组合进行管理，比如CPU中断、DMA传送、存储器等。驱动程序提供了仪器连接和初始化、配置仪器模块、仪器校准及程序下载等接口。
结语
参照《数据采集系统校准规范JJG-1048-95》对VXI总线数据采集模块进行性能和功能试验，试验结果表明，该模块实现了100kHz的通道扫描速率和不大于0.01％的测量精度，模块指标完全满足设计技术要求。