（信号与信息处理专业论文）自适应变采样率及分辨率数据采集系统研究.pdf

哈尔滨i ：稃人硕十。何论文 摘要 数据采集技术在信息采集和处理中起着重要的作用，因此开发设计具有 一定通用性的数据采集系统，从而减少硬件的重复性开发，降低研发成本， 提高产品设计的效率是很有必要的。针对当前数据采集系统通用性低，设计 了采样率及分辨率可根据信号自适应变化的数据采集系统，实时对信号进行 分析处理，调整系统参数，使得数据采集系统工作在最佳状态。在保证采样 率的前提下，可以减少d s p 处理数据量，提高系统动态范围及效率。归纳起 来本文的主要工作有以下几个方面： 首先，提出了白适应变采样率及分辨率数据采集系统的解决方案，分别 介绍了该方案的硬件和软件设计。包括系统原理、系统整体框图、芯片选型 等。 其次，确定了硬件的设计方案，重点介绍了前端信号调理电路主要用到 的芯片p g a 2 0 2 2 0 3 和m a x 2 7 4 ，模数转换芯片a d 7 8 6 4 ，及c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) 的应用。绘制硬 件原理图和制作p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 板，完成调试，同时分析了高速 数字电路中p c b 设计所需要注意的i 、口j 题。 最后，论文对数据采集系统自适应变采样率及分辨率算法部分进行研究， 完成了自适应算法在t m s 3 2 0 v c 3 3 上的实现。系统首先对采集到的信号进行 实时分析，分析信号的幅度及频谱，判断系统是否工作在最佳状态，当系统 采样率及分辨率不满足信号要求时，调整系统到对应于信号的最佳采集状态， 之后继续进行数据采集工作，完成自适应调整系统采样率及分辨率过程。 这一套方案完整且有效，达到了设计要求，为进一步进行更高性能指标 的变采样率及分辨率数据采集系统的研究与设计提供了有益的启示。 关键词：数据采集系统；d s p ；自适应；变采样率；变分辨率 n 合尔滨i ：稃人。学硕十学何论文 a bs t r a c t d a m a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei ni n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，t h e r e f o r e ，i t se s s e n t i a lt od e v e l o pac o m m o nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ms ot h a tt h er e p e t i t i v ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r ec a nb ea v o i d e d ， t h ec o s to fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tl o w e r e d a n dt h e p r o d u c t d e s i g n i n g e f f i c i e n c yi m p r o v e d i nv i e wo ft h ec u r r e n td a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi sn o tu n i v e r s a l i na p p l i c a t i o n ，t h ed e s i g no ft h es a m p l i n gr a t ea n dr e s o l u t i o no fa d a p t i v es i g n a l c h a n g e sa c c o r d i n gt o t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m r e a l t i m e a n g l i c i z i n ga n d p r o c e s s i n go ns i g n a l ，a d j u s t i n gs y s t e mp a r a m e t e r s ，m a k i n gd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi nt h eb e s tc o n d i t i o n o nt h ep r e m i s eo ft h es a m p l i n gr a t e ，d s pp r o c e s s i n g c a nr e d u c et h ev o l u m eo fd a t aa n di m p r o v ed y n a m i cr a n g ea n de f f i c i e n c yo ft h e s y s t e m t os u mi tu p ，t h em a i na s p e c t so f t h i sp a p e ra sf o l l o w s ： f i r s t ，as o l u t i o no ft h es e l f - a d a p t i v ev a r i a b l es a m p l i n gr a t ea n dr e s o l u t i o n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d ，i n t r o d u c i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h e s o f t w a r eo ft h es o l u t i o nr e s p e c t i v e l y s y s t e mp r i n c i p l e ，w h o l es y s t e mf r a m e d i a g r a ma n dc h i ps e l e c t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d s e c o n d ，t h ed e s i g n i n go f t h eh a r d w a r ei s d e t e r m i n e d p g a 2 0 2 2 0 3 ， m a x 2 7 4a n dt h ea n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc h i pa d 7 8 6 4w h i c ha r eu s e di nt h e f r o n t e n d s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，i na d d i t i o n ，t h e a p p l i c a t i o no fc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) a n dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) a r ea l s oi n t r o d u c e d t h e nt h eh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a ma n d p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) a r ep i c t u r e da n dt h ed e b u g g i n gw o r ki sc o m p l e t e d ， m e a n w h i l ep r o b l e m se m e r g i n gi nt h ep c bd e s i g n i n gp r o c e s so ft h eh i g h - s p e e d d i g i t a lc i r c u i t sa r ea n a l y z e d t h i r d ，t h es e l f - a d a p t i v ev a r i a b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms a m p l i n gr a t ea n d r e s o l u t i o n a l g o r i t h m i s s t u d i e d ，a n d t h e a l g o r i t h m i s e x p e r i m e n t e d o n t m s 3 2 0 v c 3 3 t h es y s t e mf i r s t l ya n a l y z e st h ea m p l i t u d ea n ds p e c t r u mo ft h e 哈尔溟i ：f 。f 人7 ：硕十7 ：何论文 a c q u i r e ds i g n a la t r e a lt i m et oj u d g ew h e t h e rt h es y s t e mi sa ti t sb e s ts t a t e i ft h e s a m p l i n gr a t ea n dr e s o l u t i o nd o n tm e e tt h es i g n a lr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e mi s a d j u s t e dt ot h eo p t i m a ls i g n a la c q u i s i t i o ns t a t eo ft h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a l t h e n t h ed a t a a c q u i s i t i o n w o r ki sc o n t i n u e dt oc o m p l e t et h es a m p l i n gr a t ea n d r e s o l u t i o np r o c e s so ft h es e l f - a d a p t i v es y s t e m t h es o l u t i o nisc o m p l e t e ，e f f e c t i v ea n dm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t s i th a s p r o v i d e db e n e f i c i a le n l i g h t e n m e n t f o ru so nf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e s i g no fa h i g h e rp e r f o r m a n c ev a r i a b l es a m p l i n gr a t ea n dr e s o l u t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；d s p ；s e l f - a d a p t i v e ；v a r i a b l es a m p l i n gr a t e ； v a r i a b l er e s o l u t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究作出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：乙必莎年 弓月2 日 哈尔滨1 稃人了：硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 数据采集技术足信息科学的一个重要分支，广泛应用于信号处理、频谱 分析、通信及图像处理等现代电子信息实时处理工程众多领域。在大多数利 用计算机进行控制和数据分析的场合中，都离不开对信号的采集。同时，数 据采集模块又是智能仪器必有的信号通道，也就是说，任何仪器，都必须有 数据采集环节。在我国的科研和生产中，随着科学技术的发展，p c 机的占有 率越来越高，数字信号处理器的功能也越来越强，这为人们利用现代数字信 号技术高速、大量地处理信息提供了有效的手段，而数据采集技术又在信息 采集和处理中起着重要的作用。因此开发设计具有一定通用性的数据采集系 统，减少硬件的重复性开发，降低研发成本，提高产品设计的效率是很有必 要的。 在数据采集电路中，有两个十分重要的指标：数据采样速率和数据转换 分辨率。工业现场的复杂性决定模拟信号性质的多样化。因此，根据具体工 程要求的不同，对测量的技术要求也不尽相同。就采样速率来说，有的是变 化缓慢的信号( 例如炉温的温度) ，对其进行采样时可以选用普通采样速率的 模数转换器；有的又是瞬间变化的模拟信号( 例如机械振动过程中的压力或电 路系统开关瞬f h j 对线路上的电流的影响) ，采样时就必须采用采样速率较高的 模数转换电路。其次，对采样的精度的要求有区别，大部分的普通仪表只需 8 位精度即可满足测量要求，而在一些精密控制和数据分析的场合中，又必 须采用1 4 位、1 6 位、1 8 位甚至更高位数分辨率来进行采样。另一方面，随 着科技的发展d s p 技术已经广泛地应用于实时数据采集系统中，现阶段信号 的工作频率越来越高，尽管对a d c 来说，其采样率增长速度较快，并能满 足对高速信号的采样要求，但对d s p 来说，其处理速率仍然是现代信号处理 的瓶颈，因此我们应该更加注重a d c 的频率变换功能；而在很多情况下， 模拟信号的动态范罔很大，为了保证精度，对这样的信号进行采集，需要信 哈尔滨1 。柞人学硕十学佗论文 号调理电路对输出的宽动态模拟信号的动态范围进行压缩调理，从而改变系 统的分辨率，以获得满足d s p 处理要求的信号。从现有的数据采集技术和产 品来看，针对固定的频率及幅度信号进行采集的数据采集技术已相当成熟， 实现起来比较容易，产品的稳定性和可靠性己无庸置疑，而自适应调整采样 率及分辨率的数据采集技术并不多见， 数据采集工作，在其数据采集过程中， 它能在对信号情况未知的情况下进行 中央处理器分析信号频谱及幅度，实 时调整系统参数，使得系统工作在相对于采集信号的最佳状态，完成自适应 调整系统的采样率及分辨率。基于以上论述，研究开发自适应变采样率及分 辨率的d s p 数据采集系统具有较高的理论价值和广阔的应用前景。 1 2 技术背景综述 1 2 1 数据采集的发展历程介绍 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感技术、信号处理技 术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础卅。图1 1 是数据采集系统 硬件基本组成示意图。 l 传感器h 前置放大h 滤波器卜 多 计 路 一s ，hh a 。c 卜 算 开 机 接 i 传感器h 阿置放大h 滤波器卜 关 口 图1 1 数据采集系统基本组成 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量，例如使用热电偶、热 电阻可以获得随温度变化的电压。通常把传感器输出到a d 转换器输出的这 一段信号通道称为模拟通道。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器 输出的信号比较小，因此需要加以放大，以满足大多数a d 转换器的满量程 输入5 1 5 v 的要求。 科学技术的发展对数据采集的采样速率、分辨率、精度、接口能力及抗 干扰能力等方面提出了越来越高的要求。其中数据采集系统的主要目标有两 个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确度要求，否则 2 哈尔滨i ：种人学硕 j 学f 市论文 将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要 的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。 目6 订数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面p “： ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采 集系统的性能。( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进 一步推动了数据采集系统的广泛应用。( 3 ) 新一代在系统编程技术i s p 的推 出，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。( 4 ) 与微型机配套的 数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域罩的应用并 有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。( 5 ) 分布式数据采集是数据采 集系统发展的一个重要趋势。 1 2 2 数据采集系统的分类及特点 1 、数据采集的分类叼 ( 1 ) 基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集系统。 ( 2 ) 基于单片机的数据采集系统。 ( 3 ) 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。 ( 4 ) 基于混合型计算机采集系统。 微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集 系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。 2 、数据采集系统特点“叫 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数掘采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效 率等大为提高，也节省了硬件资源。( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越 大，这增加了系统设计的灵活性。( 3 ) 数据采集与数据处理技术相互结合的 日益紧密，形成数据采集与处理系统呵实现从数据采集、处理到控制的全部 工作。( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际 需要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应 用环境。( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的 体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。( 6 ) 总线 在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构的发展起 哈尔滨i ：稃人0 毒硕f j 学f 莎论文 着重要作用”1 。 本文设计的基于d s p + c p l d 结构的高速数据采集系统具有较高的实时 性，针对性强，采用d s p + c p l d 结构及编程技术，使得硬件设计简单，且修 改方便。 1 3 论文的组织结构 本设计采用d s p 结合c p l d 作为核心器件实现自适应变采样率及分辨率 数据采集系统设计，其中以硬件设计为基础，软件算法为核心介绍，论文结 构安排如下： 第1 章：绪论部分，主要介绍了课题研究的意义、技术背景，引出了基 于d s p 的数据采集与处理系统的基本理论、发展历程及现状。最后叙述了课 题研究的内容和论文的结构安排。 第2 章：介绍了数据采集系统的基本理论，结合本课题，讨论了各种方 案的可行性，进行了总体方案论证，给出本系统最终方案介绍及具体器件的 选择。 第3 章：详细的阐述了整个系统的硬件电路组成，对各个功能模块的设 计及模块间的协调工作进行了详细的叙述，主要介绍了最小系统的设计、模 拟信号进入a d 器件的前端调理设计、所采用的a d 7 8 6 4 转换器的特点及其 它一些外围电路的具体连接。 第4 章：介绍了可编程逻辑器件的结构、功能及设计流程；同时介绍了 在本系统设计中，c p l d 的具体实现方式及设计中所特殊关注的问题。 第5 章：详细地阐述了整个系统的软件的设计，主要包括c p l d 的具体 设计，各类芯片的初始化设计及系统白适应算法部分的具体实现。 第6 章：介绍系统调试时遇到的问题及解决方案。最后对实验结果进行 分析。 哈尔滨1 j 稃人学硕十学位论文 第2 章基础理论与方案论证 2 1 系统原理介绍 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、 处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。本课题基于数据 采集理论及自适应理论设计系统，下面给予基本介绍。 2 1 1 模拟信号的数字化过程 图2 1 模拟信号的数字化过程 自然界中的物理量，大多足在时间上和幅值上均连续变化的模拟量，或 称为连续时问函数，需要以模拟肇的形式表示，而信息处理多由数字计算机 来实现，处理的结果又常常“反馈”给外界的物理系统。这罩就需要解决模拟 点蔓爿中点荤 t n n n 旭 w 坦 哈尔滨l ：张大学硕卜学f 节论文 量与数字量之间的相互转化问题， 是数据采集系统的核心问题6 ”1 7 1 。 莉 h _ t 即采样与重构( 恢复) 的问题。这个问题也 l 。 l 厂 j 、。 p( t ) 。 。 f ) i ii _ 。 i i 。一一一一一一。= t t 图2 2 采样过程 如图2 2 为采样过程，采样器一般由电开关组成，开关每隔r 秒短暂地 闭合一次，将连续信号接通，实现一次采样。 如开关每次闭合r 秒，则采样器的输出是一串重复周期为丁，宽度为r 的脉冲，脉冲的幅度是这段时间内信号的幅度，这一采样过程可看作是一个 脉冲调幅过程，脉冲载波是一串周期为丁、宽度为f 的矩形脉冲，以p ( ，) 表示， 调制信号是输入的连续信号x a ( o ，则采样输出为： x p ( ，) = x o ( t ) p ( t ) ( 2 - 1 ) 一般r 很小，r 越小，采样输出脉冲的幅度越接近输入信号在离散时间点 上的瞬时值。当采样器的电开关闭合时间”o 时，为理想采样。 采样序列表示为冲激函数的序列，这些冲激函数准确地出现在采样瞬间， 其积分幅度准确地等于输入信号在采样瞬问的幅度，即理想采样可看作是对 冲激脉冲载波的调幅过程。 理想采样信号的数学表示： 用m ，) 表示冲击载波 生 m ( t ) = ：万( ，一门丁) ( 2 - 2 ) 则有理想采样信号可表示为： 允( ，) = ( ，) m ( ，) = x ( t ) 8 ( t - n t ) = x o ( n t ) 6 ( t n t ) ( 2 - 3 ) 6 哈尔滨1 稃人学硕十。f 市论文 实际情况下，达不到r = 0 ，但r 丁时，实际采样接近理想采样，理想 采样可看作是实际采样物理过程的抽象，便于数学描述，可集中反映采样过 程的所有本质特性。 2 1 1 1 采样定理 用咒表示模拟信号，肠表示数字信号，那么畅只是尼一个特定时刻取 、值的转换结果。用 物 描述咒一序列离散采样值，采样定理指出：一个带宽 限制在o 砺的模拟信号咒，唯一的由一系列时问间隔不大于1 ( 2 f r o ) 秒的均 匀采样值确定。这相当于在信号最高频率时，每一周期至少提取两个采样值。 工程上常以3 分贝截止频率为信号带宽，对此采样频率一般要达到3 分贝截 止频率的3 5 倍”9 1 。 2 1 1 2 采样方式 有两种基本的数字化采样方式：“实时采样”与“等效时间采样”。 1 、实时采样 对于“实时采样”，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入 并数字化，然后，经过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个 信号波形数字化后存入波形存储器。实时采样的主要优点在于信号波形一到 就采入，因此适用于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连 续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。“实 时采样”的主要缺点是时问分辨率较差。 2 、等效时间采样 “等效时间采样”技术可以实现很高的数字化转换速率。然而，这种技术 要求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较 慢速度进行。采样的样本可以是时序的，也可以是随机的。这样就可以把许 多采集的样本合成一个采样密度高的波形。 2 1 1 3 量化 l 、量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位q 定义为量化器满量程电压f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 与2 ”之比 哈尔滨1 千罕人学硕 ：学何论文 9 ：孚( 2 - 4 ) 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越小，a d 的精度就越高。在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码足把量化信 号的电平用数字代码表示出来。 2 、量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分，一律舍去。 当0 三蛞( n t 。) g 时，x j n t 。) = 0 ；当q 甄m t 。) 2 q 时，x ，( n t 。) = g ；当q _ x s ( n t 。) 3 q 时，x 。( n t 。) = 2 9 ；等等。其中q 为量化单位。 ( 2 ) “有舍有入”的量化 “有舍有入”的量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，如果它们的差 值小于q 2 ，则将这部分舍去，若大于或等于q 2 ，则将这部分计入。当 o x 。( n t 。) q 2 时，x ，( n t 。) = 0 ；当q 2 x ，( n t 。) 勺时，x 。( n t 。) = g ；等等。 2 1 1 4 编码与孔径时间 1 、编码 模数转换器有的是单极性工作的，其工作范围为o v f s 。在单极性二进 制编码中常采用的有直接二进制编码和互补二进制编码。 对于直接二进制编码，有如下公式： = l 善n ( 歹a n ) i c 2 嘲 圪。，= l i 石l l ( 2 - 5 ) l ”= 1 二l 其中，a 。= 1 或0 。 通过引入适当的偏置，模数转换器可以在双极性方式下工作。双极性转 换器可以应用多种二进制编码格式。最简单的是偏移二进制码，其代码简单 地偏移了一个满刻度偏移值。表达式如下： 肾i 喜( 争- 1 ) l p 6 ， 2 、孔径时间 采用a d c 对模拟信号进行转换时，总需要一定的时| 日j 来完成采样，量 哈尔滨i ：稗人学硕十学伊论文 化及相应的编码工作。a d c 的转换时间t c o n v 取决于器件采用的转换方法、 转换位数等多个因素。如果在a d c 转换时间t c o n v 内，输入模拟信号仍 在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差。 可以在a d c 前再加一个采样保持放大器( s h a ) 来改善t c o n v 的影响。 这相当于在a d c 转换时间内开了一个窄“窗孔”，将此窗孔称为“孔径时 间”( a p e r t u r et i m e ) t a ，t a 一般远小于转换时间t c o n v 。显然，如在孔径时 间t a 内，输入模拟信号的变化仍不能忽略，这也会引入一定的误差，称为孑l 径误差”。 数掘采集时在a d c 前采用s h a ( 采样保持放大器) ，就解决了a d c 转换 时间较长与分辨要求较短的孔径时间的矛盾。其实质，是把模拟信号的离散 化与量化分两步进行。s h a 先完成模拟信号的离散化，a d c 接着进行离散 信号的量化，最终获得所需的数字信号。 2 1 2 数据采集系统的技术要求 在实际应用中，人们关心的是如何从要求的技术指标出发，设计一个具 有很高性能价格比的数据采集系统。数据采集系统的主要技术指标有： 1 、系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用 最低有效位值( l s b ) 、系统满度信号的百分数( f s r ) 或系统可分辨的实际电 压数值等来表示，有时也习惯用满度信号可以分的级数来表示。 2 、系统精度 系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，每个离散的采样样本的转 换精度。模数转换器的精度是一个系统精度的极限值。 3 、系统通过速率 系统通过速率通常又称为系统速度、传输速率、采样速率以及吞吐率等。 系统通过速率是指系统每个通道、每秒钟可采样、处理的样本数。对于一个 包括模拟量输入及模拟量输出的采集系统，通过速率是指系统每个通道、每 秒钟可采集、处理与输出的样本数。 时间域上，与通过速率相对应的技术指标是通过周期，它表征了系统从 样本输入到输出所需要的时间，即系统每采集一个有效数据所占用的时f h j 。 9 哈尔滨1 ：稃人。列顶十。z 何论文 对于数据采集系统，可定义三种不同的最高通过速率： ( 1 ) 最高单通道通过速率：系统对某一通道的输入信号进行重复采样时 的最高采样速率。 ( 2 ) 最高单扫描通过速率：系统对多个同类型通道的输入信号顺序扫描 系统一遍时的最高采样速率。 ( 3 ) 最高巡回通过速率：系统对某类全部通道的输入信号进行等采集周 期巡回采集时的最高采集速率。 此外，数据采集系统还有一些很重要的技术指标，如系统控制方式，系 统总数据量，系统功耗要求，系统可靠性，系统自动增益调节方式等等。在 这些技术指标中，对于数据采集技术而言，最为重要的是系统的分辨率、精 度与通过速率。 2 1 3 自适应理论简介 所谓“自适应”就是能够根据不同的情况，自动快速调节，对原有行为或 其他一些东西进行改变，以满足新情况新环境的要求。本系统正是这样一个 工作过程，它能修- i e 自己的特性参数以适应信号和扰动的动态特性的变化。 自适应系统的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这罩所谓的“不确 定性”是指描述被测对象及其环境不是完全确定的，其中包含一些未知因素 和随机因素，即我们事先是不能准确的知道输入信号的具体信息，因此刚开 始系统并非工作在最佳的采集状态， 面对这些客观存在的不确定性，如何设计适当的算法，使得某一指定的 性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应算法部分所要研究解 决的问题。 自适应数据采集和常规的数据采集系统一样，都是对模拟信号进行采样 输出，所不同的是自适应过程所依据的关于输入信号的先验知识比较少，需 要在系统的采集分析过程中去不断提取有关的信息，使采集状态逐步完善。 具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地调整系统参数，随着采集 过程的不断进行，通过在线分析，系统状态会变得越来越准确，越来越接近 于实际。既然系统的采集状态在不断的改进，显然，基于这种系统作用出来 的输出信号也将随之不断的改进。在这个意义下，数据采集系统就具有了一 哈尔滨i ：科人学硕卜学f 节论文 定的适应能力。这样，当系统在设计阶段，由于对缘特性的初始信息比较缺 乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运 行，通过在线调整控制以后，系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的 工作状态。再有，某些信号对象，其特性参数可能在运行过程中要发生较大 的变化，但通过在线分析和调整控制参数，系统也能逐渐适应。 2 2 系统结构及器件的选择 本系统的功能是对信号进行数掘采集并对其分析，实时调整数据采集系 统的采样率及分辨率，达到最佳于信号的采集状态。基于其设计的数据采集 系统结构包括信号调理电路部分( 包括衰减，放大和滤波) 、数字信号处理器 d s p 部分、a d 转换部分、c p l d 控制部分、存储器、d a 转换电路等构成。 下面详述本系统构成方案。 2 2 1 系统总体结构 鉴于c p l d 具有可编程性和实现方案容易改动的特点。而d s p 的高速数 据处理能力强，具有出色的对外接口能力。因此，系统的设计采用了 d s p + c p l d 的方案。根据系统所提出的要求，画出整个系统的结构框图，如 图2 3 所示。 信 模拟信号 号 一 调 f l a s l l & s r a m 模中 罄数字信号 央 鍪 转一一一 处 一据 换理一输 电器出 路dsp 一二一_ 一一逻辑控制单元c p l d j ： 图2 3 系统整体框图 整个数据采集系统主要包含：信号调理电路部分( 包括衰减，放大和滤 波) 、数字信号处理器d s p 部分、a d 转换部分、c p l d 控制部分、d a 转 一 理电路一 一 哈尔滨1 i 稃人学硕 学何论文 换电路等部分构成。信号调理部分和a d 转换部分是完成模拟信号到数字信 号转换的重要部分。d s p 为系统的核心芯片，负责系统核心算法的实现。 c p l d 主要完成对存储器、a d 、d a 、信号调理部分的控制逻辑的实现。 信号经前端信号调理电路送入a d 进行模数转换，d s p 对转换后的信 号进行分析处理，计算出信号的频率范围，根据信号的频率范围实时调整采 样频率及选择抗混叠滤波器的截止频率，从而调整系统的采样率，具体实现 见后面介绍；同时，d s p 还将对信号分析，确定信号在a d 采样幅度动态范 围之内，如果信号范围不合适a d 采样，d s p 控制c p l d 调整衰减、放大 电路部分，使得模拟信号调理到适合a d 采样的范围。可以通过d a 芯片 把采集剑的信号转换成模拟信号输出观察转换结果。 2 2 2 系统主要器件的选择 2 2 2 1 放大衰减部分器件的选择 放大衰减电路部分器件的选择，对系统的分辨率起着很重要的作用。在 事先不知道被测信号大小的情况下，人们一般用微控制器进行检测，并通过 控制衰减及放大器的倍数使信号调到最佳，从而获得最佳的测量数据。在不 知道系统信号的频率以及不同环境条件下受干扰程度的情况下，为了使宽动 态范罔数掘采集系统实现智能化，使信号调理到适应a d 所需要的动态范 围，人们往往比较多地选择程控衰减放大方式，这样可以实现软硬件的有机 结合。 目前一般信号调理的放大衰减部分，有几种方案可以供选择，它们分别 为：集成程控放大器方案；精密运放和精密电阻网络方案；d a 转换器的方 案、采用数控衰减器方案；浮点放大器方案；对数放大器方案1 2 叫1 2 ”。 本系统采用精密电阻网络和程控继电器构成衰减电路，放大电路直接利 用集成程控增益放大器设计方案，主要芯片选用b u r r b r o w n 公司的 p g a 2 0 2 p g a 2 0 3 程控仪表放大器。该芯片无需接外围芯片，使用方便、性 能好，而且p g a 2 0 2 与p g a 2 0 3 级联使用可组成从1 8 0 0 0 倍的1 6 种程控增 益，使应用更灵活方便。 同时，此方案设计的线路较为简单，它们具有低漂移、非线性、商共模 哈尔滨i ：稗人学硕十学位论文 抑制比和宽频带等优点。是对宽动态模拟信号的动态范围进行压缩的一种行 之有效的技术方案，它可以保证系统的精度，提高整个系统的性价比。 2 2 2 2 滤波部分器件的选择 在数据采集系统中，为了无失真地从数字信号中恢复原来的信号，在 a d 转换之前大多需要设置抗混叠滤波器来抑制噪声，去除干扰，以提高信 噪比。目前，抗混叠低通滤波器的设计一般有两种方法，一种是使用无源元 件r 、l 和c 组成的无源滤波器，一种是使用集成运放和r 、c 组成的有源 滤波器。有源滤波器具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开 环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一 定的电压放大和缓冲作用。所以目前的电子技术应用领域里，经常用到有源 滤波器阻心1 。 普通硬件有源滤波器由运算放大器和r ，c 组成，虽然比较容易实现， 但参数调整困难，而且当工作频率较高时，元件周围的杂散电容将会严重影 响滤波器的特性，使其偏离预定工作状态，最终效果不是很好。m a x i m 公 司推出的单片集成滤波器芯片m a x 2 7 4 2 7 5 是目前较为理想的一种芯片。本 设计选用m a x 2 7 4 芯片设计滤波器，它具有如下优点： ( 1 ) 电路简单，无需外接电容，根据设计要求，每个滤波单元只需外接4 个编程电阻，即可实现从1 0 0 h z 到1 5 0 k h z 的低通、带通滤波；( 2 ) m a x i m 公司网站提供了免费的专用设计软件，无需复杂的计算；( 3 ) m a x 2 7 4 是单片 集成结构，高频工作时基本不受杂散电容的影响；对电阻误差也不敏感；( 4 ) 所设计滤波器的中心频率、转折频率、q 值以及放大倍数等都可由外加电阻 加以确定，参数调整十分方便；( 5 ) 由于放大倍数可调，所以常常设计成与 后续模数转换器直接接口的形式，省却了放大电路；( 6 ) 该芯片为连续时间 型，比开关型滤波器噪声低，动态特性好：并且不要时钟，没有时钟噪声。 2 2 2 3d s p 的选择 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器。其内部采用程序和数据总线分开 的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数 据处理指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。特点如下“埋1 ： 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 1 ) 在一个指令周期内，可完成一次乘法和一次加法运算；( 2 ) 程序和数 据空间分开，可以同时访问指令和数据；( 3 ) 片内有快速洲；( 4 ) 具有底 开销或无开销循环及跳转的硬件支持：( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 接口 支持；( 6 ) 可以并行执行多个操作，支持流水线操作。 d s p 处理器按照工作时的数据格式来分，可分为定点与浮点芯片。定点 d s p 芯片结构相比之下较简单、乘法一累加( m a c ) 运算速度快，但运算精度 低，动态范围小，这是其字长为有限造成的。以浮点数据格式工作的d s p 芯 片为浮点d s p 芯片。浮点d s p 处理器动态范围大，运算精度高，在性能要 求高的实时信号处理中有着广泛的应用。 基于上述考虑，课题中选择了t i 公司的浮点d s p ：t m s 3 2 0 v c 3 3 1 5 0 作为系统的核心处理芯片。 2 2 2 4 模数转换器( a d c ) 的选择 选择a d 转换芯片时要考虑的主要是两个指标：一是转换时间，二是转 换精度。一般考虑精度，1 2 位还是1 6 位还是2 4 位。精度越高，价钱越贵。 还需要考虑采样频率，采样频率越高，价钱也越贵。一般的模数转换器( a d c ) 只能采集电压信号，一般是士5 v ，如果输入a d 的信号不在此范围内，就要 在a d 前端加一个调理模块。 本系统确定所测信号的最高频率小于1 0 0 k h z 。则根据香农定理：为了 很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至 少应为信号本身所包含的最高频率的两倍。为保险起见，我们确定采样频率 为信号最高频率 的5 倍，则采样频率至少为5 0 0 k h z 。根据这个指标我 们初步选择模数转换器的产品为a d 公司的a d 7 8 6 4 这种产品。 1 、a d 7 8 6 4 的特点简述： a d 7 8 6 4 是美国模拟器件公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗 的信号采集芯片，分辨率为1 2 位，可实现4 通道同时采样。a d 7 8 4 6 的转换 时间为1 6 5 # s c h ，采样保持时间为0 3 5 s ，单通道最高采样频率为5 0 0k s p s ， 信号输出采用1 2 位高速并行数据输出接口。数据转换和读取可以选用内部时 钟模式或外部时钟模式。由+ 5 v 单电源供电，功耗低达9 0 r o w ，省电模式下 可低达2 吮w 。 1 4 哈尔滨。i ：稗人学硕+ 学位论文 2 、验证 a d 允许输入模拟信号的最高频率为2 5 0 k h z ，采样保持器的动作时间 为为0 3 5 9 s ，数据采集系统的采样频率店可达到5 0 0 k h z 。 实际输入模拟信号的最高频率： f h = 1 0 0 k h z _ 2 5 0 k h z 实际系统的采样频率： = 5 0 0 k h z 5 5 0 0 k h z 对于转换精度、速度的分析和实践表明，采用a d 7 8 6 4 的1 2 位的a d 能满足系统的需要。它的高速并行输出接口与d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 的外 部接口相连方便。此方案实现对信号精确测量，具有精度高，电路结构简单， 系统功耗低的特点。 2 3 本章小结 本章首先简单介绍数据采集系统理论基础，之后根据系统的功能以及技 术要求介绍了总体的方案论证，给出了系统的结构设计方案。最后，对系统 各部分单元的确定及器件的选择进行了论述，确定了符合系统要求的d s p 处 理芯片、模数转换芯片、程控衰减放大和程控滤波芯片等。 哈尔滨i ：再 人学硕i j 学伊论文 第3 章系统硬件电路设计 在上一章介绍了系统总体方案设计的基础上，本章开始讨论系统各个部 分的硬件电路，并进行详细设计的论述。硬件电路方面包括信号调理电路的 设计、系统的a d 、d a 部分的硬件电路、数据采集系统的d s p 最小系统 等方面的设计。本章将对各个部分分别进行研究和设计。 3 1 模拟信号调理电路的硬件设计 信号调理的实质就是通过电子元器件的有机组合，对信号进行调节、变 换和整理的过程。信号调理的基本要求是去伪存真、安全可靠。本系统所设 计的信号调理电路足属于通用信号调理的功能，对传感器和变送器输出的标 准电信号进行调理，以进一步改进信号质量和稳定性，满足条件进入a d 转 换器，以实现有效精确的测量。其中主要包括衰减放大部分和滤波部分。 3 1 1 衰减放大电路设计 本系统采用精密电阻网络和精密运放的方案组成程控衰减放大电路，其 结构如图3 1 所示1 1 。 。 。 a 3a 2 a ia 0 图3 1 程控衰a s 放大部分框图 程控衰减电路由精密电阻网络和程控继电器组成。其衰减系数分别为l 、 1 2 、1 4 ，这部分调理+ 5 v - - - a ：2 0 v 的输入信号。程控放大电路由两级单片集 成p g a 电路构成。第一级增益分别为1 、1 0 、1 0 0 和1 0 0 0 ，第二级增益为l 、 2 、4 和8 ，两级组合可将增益分为l 、2 、4 、8 0 0 0 ，共1 6 档。这部分电 路主要用于调理0 士4 9 9 9 v 的信号。衰a s 放大电路这部分的动态范围为 1 6 哈尔滨i ：稚人。