基于SoC實現的數據采集系統詳解

數據采集系統（首字母縮寫為DAS或DAQ）首先對放大、電平轉換等原始信號執行相應的信號調節，然后再進行信號數字化和存儲，從而實現對溫度、壓力和濕度等現實世界信號的測量。數字信號通常被定期發送到另一個數字系統執行進一步處理。

數據采集系統的部分應用實例包括：天氣監測以及對地震儀、壓力、溫度和風力風向的記錄等。將這些信息饋送到計算機，用于預測雨水以及地震和破壞性強風等自然現象及災害。DAS在醫療領域的應用包括可跟蹤心電圖（ECG）或腦電圖（EEG）信號等的患者監護系統。

典型的DAS系統包含如下組件：

● 傳感器：將真實世界現象轉換成等效的電氣模擬信號

● 信號調節電路：將來自傳感器的信號改變為可執行數字化的形式

● 模數轉換器：將已調節的模擬信號轉換為數字表示形式

● 存儲與轉發存儲器：用于存儲在后期將被轉發至另一系統的數字信號流

● 通信接口：將數字流傳輸至其它系統的經由通道

● 微處理器系統或微控制器：排序并控制所有其它組件

圖1顯示了基本數據采集系統的方框圖。這些內部模塊的詳細內容將在下一章節中進行闡述。

基于SoC實現的數據采集系統詳解

圖1：從單個傳感器獲取數據的數據采集系統

數據采集系統的子系統

a）傳感器：

如前所述，數據采集系統能夠跟蹤溫度、壓力、濕度、流速等物理參數。由于在電子域中處理非常靈活，因而需要使用適當的傳感器將這些參數轉換成電阻、電流或電壓變化等可測量的電氣量。例如，熱敏電阻、電阻式溫度檢測器（RTD）等傳感器會隨著溫度的變化而相應改變其阻值，而應變計等壓力傳感器則會根據所施加的壓力相應改變阻值。這些均可通過惠斯通電橋（wheatstone‘s bridge）［1］轉換成電氣量（例如電壓）。

表1列出了一些在DAQ中監控的通用物理參數以及所使用的適當的傳感器。

表1：常用的電子傳感器。

b）隔離：

信號采集應用在處理超高電壓信號時會造成系統毀損。強烈推薦使用變壓器對高電壓進行降壓轉換，也可使用光隔離等其它保護電路［2］。

c）信號調節：

盡管傳感器在對所監控的信號進行電氣解讀方面具有非常寶貴的價值，但是其可用的電信號幅值水平卻非常低，通常僅為可計量信號的1/10^6或1/10^3。

除了電氣信號測量值的問題以外，一些不相干的外部干擾也會被傳感器拾取并加大噪聲。如果事先知道這些信號的頻率范圍，就可以設計適合的濾波器來清除噪聲。對于特定位置的溫度監控等應用而言，溫度不會隨著時間的推移發生顯著變化，例如大部分都是變化緩慢且頻率低。因此，在將輸入信號提供給高增益放大器之前有必要先將其饋送到低通濾波器（LPF）進行濾波。

數據采集系統通常會同步跟蹤并行環境中的眾多信號，并使用單獨的傳感器測量每一種數量值。如圖1所示，如果每種參數都采用單獨的數據采集系統進行測量，那么總體系統就會變得非常龐大。此外，由于測量到的信號量變化非常緩慢，因此無需對這些信號進行持續監控，這樣我們就可以利用統一的通道多路復用不同的已調節信號輸出，以實現進一步處理，如圖2所示。

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圖2：N通道數據采集系統的總體方框圖。

d） ADC：

由于處理數字信號簡單易行，因而需要將模擬多路復用器中出來的多路復用信號輸入饋送至模數轉換器（ADC）。ADC的所需分辨率完全取決于應用需求，但其采樣率則取決于輸入信號的帶寬。我們假定通道1的帶寬是f1，通道2是f2，……通道N是fn，那么N通道多路復用的模擬輸入則被饋送至ADC，采樣頻率應為

Fs ≥ 2 * max （f1， f2， …， fn）。

Fs = k * max （f1， f2， …， fn）， k≥2

推薦使用較大的k值，以便讓數字解碼的信號能夠緊密跟蹤模擬信號且不會丟失任何有效數據。

有人也許會感到奇怪，在對信號進行多路復用之前為什么不單獨數字化各個通道。假設我們的某個應用需要監控10個左右的通道，如果在進行多路復用之前對信號進行數字化，那么不得不使用10個單獨的ADC（每個通道分配一個），這樣就需要10個單獨的ADC IC。

對于上述提及的ADC使用方法，需要考慮的一大重要問題就是溫度、壓力等各種參數在不同實例下進行采樣的情況，即溫度處于時間“t”，壓力處于“t+Δt”，其中Δt = 1 / Fswitch，而Fswitch = 多路復用器的開關頻率 = Fs/N。如果在“t”和“t+Δt”之間環境條件發生突變，那么初始時間點測量的溫度讀數無法反應出這種變化，而在“t+Δt”測得的壓力讀數才能反映出這一突然變化。如果需要在相同情況下測量所有的物理參數，那么將信號饋送至模擬多路復用器之前需要在每個通道中運用單獨的采樣與保持電路。觸發信號應被同時饋入所有通道的采樣與保持電路中，觸發信號的頻率應為Fswitch/N，其中N表示通道的數量。這類系統也被稱為時間同步系統。

模擬多路復用器的開關頻率由所用的通道數量控制，并需要考慮采樣速率。但是，開關頻率還需要受ADC轉換時間參數的限制。

實例：

如果ADC的工作時鐘頻率是FADC，而且每次轉換需要“L”個時鐘周期進行采樣，“M”個時鐘周期進行轉換，那么

以上條件可被解讀為兩種情況：

1. 如果“M”和“L”非常大，那么加到ADC的時鐘要求就會更高。

2. 具有較大“L”和“M”的ADC固定時鐘會限制Fswitch，這樣反過來也會限制被監控信號的信號帶寬。

這一條件并非強制性的。如果前一個通道已經完成采樣階段并開始進入轉換階段（假設ADC具備此功能），我們就可以將多路復用器切換到下一個通道。在這種情況下

使用PSoC（片上可編程系統）實現數據采集系統

除了外部傳感器、隔離器和存儲PC外，以上系統一般需要‘N’個低通濾波器、‘N’個高增益放大器、‘N’個采樣與保持電路、1個外部N:1模擬多路復用器、1個ADC芯片（帶外部參考電壓）和1個可用來讀取數字數據并通過RS-232接口將讀數傳送到PC的專用MCU?？偟膩碚f，需要‘3N+2’顆芯片；如果我們需要監控10個通道的信號，那么實際需要32顆芯片，這樣會使系統過于龐大和昂貴。

我們能用一個片上可編程系統替代32顆芯片，將材料成本降低‘3N+1’倍。表2列出了采用可編程SoC實現的數據采集系統所用的組件列表及其主要特性。

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