多功能数据采集卡具体介绍
阅读：2662发布时间：2008-7-31
系统硬件结构
采集卡共用八个模拟输入通道，每个输入通道都具有独立的带通滤波器、程控增益放大器和多级陷波器。其中每个带通滤波器的中心频率都可分档选择，且每个滤波器是否需要接入电路也可由单片机控制。程控增益放大器的放大倍数可由单片机分档控制。模拟信号经过滤波、放大电路后，在进入单片机进行A/D转换之前需经过多级陷波器以消除50Hz及其谐波干扰，陷波器的中心频率和级数也可由单片机根据使用环境选择。采集卡的控制核心是SoC单片机C8051F020，其内部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8选1模拟多路选择器。数据采集卡采集到的数据通过EPP接口送到上位机。
程控滤波器原理及电路
本采集卡程控滤波电路如图2所示。该电路由两级相同的滤波器级联而成，每级由三个高精度、低失调、低噪声运放OP07和两个12位电流输出DAC AD7533构成。将AD7533的Iout2引脚接地，则其Vref和Iout1两个引脚之间等效为一个受DATA9~DATA0控制的电阻网络，等效电阻为：，其中R为DAC芯片电阻网络的单个等效电阻值，对于AD7533为10kW；n为DAC的位数，对于AD7533，n=12；D为DATA9~DATA0对应的二进制值，这里可取1~4095。该电路的中心频率为：，其中；当取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW时，中心频率用SoC单片机的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通过改变DATA0~DATA9的数值改变REQ，进而改变滤波器的中心频率。
将两级电路级联起来，构成图2中的完整电路，可以进一步提高品质因数。表1中列出了D取不同值时，实际测得的中心频率和-3dB处的频率，反映出该电路不但可以高精度地控制中心频率，而且具有很高的Q值。
陷波器电路
50Hz交流电干扰是数据采集中不可避免的严重问题，采集电路中必须设置50Hz陷波器，将以差模形式串入的50Hz及其谐波滤除。
图3为二阶双T型50Hz陷波器电路，陷波深度-40dB以上，Q值约为3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C时，陷波器的中心频率为：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF时，中心频率为50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF时，中心频率为150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF时，中心频率为250Hz。这样就构成三级陷波器，每级陷波器又受一单刀双掷模拟开关ADG419控制，SoC单片机可选择将哪一级或哪几级陷波器接入电路。该电路经过测试与实际应用，证明对50Hz及其谐波具有*的抑制能力。
程控增益放大器
程控增益放大器电路采用精密的可编程增益控制仪表放大器PGA202，它具有较高的共模抑制比（增益为1时，CMRR优于80dB），单位增益带宽为1MHz。其可编程增益有×1、×10、×100和×1000四档，受A0、A1两引脚控制，将这两个引脚接入SoC单片机的I/O口，即能实现单片机对PGA202增益的控制。
C8051F020单片机内部集成ADC
C8051F020内部集成有12位的ADC0，其转换速率zui大可达100ksps，与内部8选1 MUX结合起来使用，即可构成8通道的ADC。初始化ADC0时，8051内核对特殊功能寄存器AMX0CF写0x60、对ADC0CF写0XF8、对ADC0CN写0x80，即配置为8通道单端模拟输入、内部PGA增益为1、A/D转换的结果字右对齐。当对寄存器REP0CN写0x02时，启动ADC0。ADC0转换完毕后会产生第15号中断，中断向量为0x007B，8051内核在中断服务子程序中读A/D转换的结果，A/D转换结果存在寄存器ADC0H（高4位）和ADC0L（低8位）中。
输入通道与单片机的接口
C8051F020具有64个I/O引脚，足以用于对外部输入通道各个功能的选择，其中P0.0~P0.7和P4.0、P4.1接到DAC，用于选择程控增益放大器的增益选择。P4.2和P4.3接到程控增益放大器PGA202的A0、A1两个引脚，用于增益的选择。另外，程控滤波器和多级陷波器每一级的前端都有一单刀双掷模拟开关ADG419，ADG419是低导通电阻的模拟开关，其导通电阻仅为35W，受控引脚IN为“0”时开关1导通、开关2断开，IN为“1”时开关1断开、开关2导通，开关时间为30ns。每个通道各有四个ADG419，将同一级八个ADG419的IN引脚连在一起（因有8个通道），接到C8051F020的P4.4~P4.7，这样，通过单片机的P4.2~P4.7引脚，就能实现多功能的选择。
结语
基于SoC单片机的多功能数据采集卡，为数据采集提供多种功能，以适应可能遇到的不同测试条件。本设计达到如下参数指标及功能：每通道zui大采样率为100ksps；幅值精度优于5mV；滤波器可选中心频率为32Hz、64Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz，控制精度优于2.4%，Q值优于5；陷波器可选中心频率为50Hz、150Hz、50Hz，陷波深度-40dB以上。
C8051F020丰富的硬件资源使得进一步扩展功能而不改变硬件电路成为可能，如内部PGA，还可用来进一步微调放大倍数，只需改变寄存器ADC0CF的值即可。将ADC0工作方式改为窗口比较方式可进一步提高MCU效率，以便实现量程自动转换等等。C8051F020的在线编程方式也为在线改变软件提供了方便。
