CN104503931A - 一种多路模拟信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路模拟信号采集方法，将N路模拟信号接入N路MUX开关阵列输入口；MCU发送时钟同步信号至FPGA，FPGA根据该信号依次输出片选择与通道选择号给MUX开关阵列；N路MUX开关阵列根据FPGA片选择与通道选择信号，依次打开对应通道的开关，将外部模拟信号转换成单路信号，通过唯一的MCU模拟信号输入IO,传送至内部AD转换器；AD转换器依据信号CLK,对单路信号触发采样，转换完成后，DMA控制器自动将数据存入内部RAM，待单周期或数周期N通道的模拟量转换完毕后，自动产生一个DMA中断；MCU根据DMA中断请求，直接对RAM中数周期的数据进行处理和分析。

Description

一种多路模拟信号采集方法

技术领域

本发明属于自动化数据采集技术领域，特别涉及一种多路模拟信号采集方法。

背景技术

在工业自动化领域，尤其在缝纫机行业的边界检测技术领域，会使用很多的模拟量输出传感器，往往需要检测数路，基至上百路的模拟量输入信号。对于多路模拟信号的检测，通常有以下方式：

1.模拟信号送入外部AD转换器，AD转换器通过外部总线将转换数据传输至MCU(微控制器)，如图1所示,此方案适应于模拟信号带宽大于1M以上信号；

2.模拟信号通过MCU的模拟量输入口直接传送至内部集成的AD转换器，MCU通过内部总线访问转换数据，如图2所示。

方式1多用于MCU内部AD转换器的采样率，精度无法满足的领域，现在一般的商业MCU普遍包含1MHZ甚至10MHZ采样率、10-12位的AD转换器能够满足大多数应用的需要，内部集成的AD转换器，以及MCU的模拟量输入IO，实现信号采集，具有结构简单、控制方便,成本低廉的优点。

另一方面，方式2也存在两种缺陷：

1，由于MCU模拟量IO口的数量有限，一般只有8路左右，当需要采集的模拟信号大于10路甚至上百路时，就无能为力了。

2，8路信号通过内部MUX开关(模拟开关)，依次切换至AD转换器；每一路或一组数据采集转换完成后，会触发一个中断，MCU读取、存储、处理数据，当实际采样率较高时，会大大增加MCU的执行时间，MCU就没有时间再去执行其它任务。如图3所示。

发明内容

本发明的目的是提供一种多路模拟信号采集方法，以解决现有技术中，尤其在缝纫机的边界检测中遇到的模拟量检测路数非常多的难题。

本发明的技术方案是，一种多路模拟信号采集方法，采用包括FPGA、MUX开关、包含有AD转换器的MCU以及DMA控制器的电路，包括以下步骤：

A1，将N(1，2，3…n)路模拟信号接入N路MUX开关阵列输入口，N＝1，2，3…n，n为正整数；

A2，MCU发送时钟同步信号至FPGA，FPGA根据该信号依次输出片选择与通道选择号给MUX开关阵列；

A3，N路MUX开关阵列根据FPGA片选择与通道选择信号，依次打开对应通道的开关，将外部模拟信号转换成单路信号，通过唯一的MCU模拟信号输入IO,传送至内部AD转换器；

A4，AD转换器依据信号CLK,对单路信号触发采样，转换完成后，DMA控制器自动将数据存入内部RAM，待单周期或数周期N通道的模拟量转换完毕后，自动产生一个DMA中断；

A5，MCU根据DMA中断请求，来读取、处理存储于RAM中的N路模拟数据，直接对RAM中数周期的数据进行处理和分析。

所述的FPGA由时钟同步、计数器、译码器、片选择逻辑、通道选择逻辑电路构成，并且执行以下步骤：

B1，MCU输出时钟同步信号CLK、复位信号RST、使能信号EN给时钟同步电路，时钟同步电路完成通道切换逻辑的时钟同步、复位、使能功能，并输出触发信号TCLK；

B2，计数器设为一个量程为N的整数计数器，根据触发信号TCLK进行计数，溢出自动清零；.

B3，译码器根据计数值进行片选择、通道选择输出逻辑的译码，并输出片选择、通道选择信号至N路模拟开关阵列。

MCU是基于ARM Cortex-M3内核，具有1MHZ采样率、12位分辨率的AD转换器、DMA外设的微控制器，并执行以下多路信号采集步骤：

C1，初始化片内外设，设置AD转换器为外部触发模式、设置AD转换完成自动进行DMA请求；

C2，设置DMA对应于AD转换器，并设置对应空间的RAM容量，开启DMA满中断；启动AD转换器、启动DMA；

C3，AD转换器外设自动等待来自FPGA的触发信号TCLK，信号TCLK到来后，AD转换器自动进行对应通道模拟信号的采集，待转换完成后，自动将数据通过DMA存入指定的RAM地址；

C4，DMA自动判断指定RAM是否满，若满则向MCU产生中断请求；

C5，MCU根据DMA中断请求，开始对存入RAM中的单周期或者数周期N通道的模拟数据进行处理。

本发明对于多路的模拟信号采集不受MCU模拟量输入口数目限制，根据需要实现任意多路模拟量信号的采集；MCU只在单次或数次循环采集完成后，才做相应处理，并可直接对数据进行处理，大大节省了MCU的时间资源，便于处理其它任务，解决了ADC转换和处理过程对CPU资源长期占用的问题。

附图说明

图1是现有技术中一个实现方案示意图。

图2是现有技术中的另一个实现方案示意图。

图3是现有技术中另一个实现方案的原理示意图。

图4是本发明实施例中的电路结构示意图。

图5是本发明实施例中FPGA的电路结构示意图。

图6是本发明实施例中MCU的流程图。

具体实施方式

本发明采用FPGA(可编程逻辑控制器)、MUX开关、MCU内部的AD转换器与DMA(直接储器存取)资源，有效的解决了上述问题；如图4所示。

总体实施步骤如下：

1.N(1，2，3…n)路模拟信号接入N路MUX开关阵列输入口；

2.MCU发送时钟同步信号至FPGA。FPGA根据该信号依次输出片选择与通道选择号给MUX开关阵列；

3.N路MUX开关阵列根据FPGA片选择与通道选择信号，依次打开对应通道的开关，将外部模拟信号转换成单路信号，通过唯一的MCU模拟信号输入IO,传送至内部AD转换器；

4.AD转换器依据信号CLK,对单路信号触发采样，转换完成后，DMA自动将数据存入内部RAM，待单周期或数周期N通道的模拟量转换完毕后，自动产生一个DMA中断。DMA用来提供MCU片内外设和存储器之间的高速数据传输，而无须CPU干预，数据可以通过DMA快速移动，节省了CPU的资源来做其它操作。DMA是直接内存访问的英文(Direct Memory Access)的缩写。

5.MCU根据DMA的中断请求，来读取、处理存储于RAM中的N路模拟数据，甚至于可以直接对RAM中数周期的数据进行处理，算法分析。MCU只是在此时才介入，节省了大量MCU的时间。

如图5所示，FPGA片内实施如下：

FPGA采用VHDL硬件描述语言构建时钟同步、计数器、译码器、片选择逻辑、通道选择逻辑等电路，具体如下：

1.MCU输出时钟同步信号CLK、复位信号RST、使能信号EN给时钟同步电路，时钟同步电路完成通道切换逻辑的时钟同步、复位、使能等功能，并输出触发信号TCLK；

2.计数器是一个量程为N的整数计数器，它根据触发信号TCLK进行计数，溢出自动清零；

3.译码器根据计数值进行片选择、通道选择输出逻辑的译码，并输出片选择、通道选择信号至N路模拟开关阵列。本逻辑只占用较少的FPGA硬件资源，多余的资源可以用于其它的处理。

如图6所示，MCU片内实施如下，

MCU部分选用了基于ARM Cortex-M3内核，具有1MHZ采样率、12位分辨率的AD转换器、DMA外设的微控制器；多路信号采集部分的程序流程如下：

1.初始化片内外设，设置AD转换器为外部触发模式、设置AD转换完成自动进行DMA请求；设置DMA对应于AD转换器，并设置对应空间的RAM容量，开启DMA满中断；启动AD转换器、启动DMA；然后AD转换器外设自动等待来自FPGA的触发信号TCLK

2.TCLK到来后，AD转换器自动进行对应通道模拟信号的采集，待转换完成后，自动将数据通过DMA存入指定的RAM地址；

3.DMA自动判断指定RAM是否满，若满则向MCU产生中断请求；

4.MCU根据DMA中断请求，开始对存入RAM中的单周期或者数周期N通道的模拟数据进行处理；MCU只在此刻介入到N通道模拟信号的采集工作。

Claims (3)

1.一种多路模拟信号采集方法，采用包括FPGA、MUX开关、包含有AD转换器的MCU以及DMA控制器的电路，其特征在于，包括以下步骤：

A1，将N(1，2，3…n)路模拟信号接入N路MUX开关阵列输入口，N＝1，2，3…n，n为正整数；

A2，MCU发送时钟同步信号至FPGA，FPGA根据该信号依次输出片选择与通道选择号给MUX开关阵列；

A3，N路MUX开关阵列根据FPGA片选择与通道选择信号，依次打开对应通道的开关，将外部模拟信号转换成单路信号，通过唯一的MCU模拟信号输入IO,传送至内部AD转换器；

A4，AD转换器依据信号CLK,对单路信号触发采样，转换完成后，DMA控制器自动将数据存入内部RAM，待单周期或数周期N通道的模拟量转换完毕后，自动产生一个DMA中断；

A5，MCU根据DMA中断请求，来读取、处理存储于RAM中的N路模拟数据，直接对RAM中数周期的数据进行处理和分析。

2.如权利要求1所述的多路模拟信号采集方法，其特征在于，所述的FPGA由时钟同步、计数器、译码器、片选择逻辑、通道选择逻辑电路构成，并且执行以下步骤：

B1，MCU输出时钟同步信号CLK、复位信号RST、使能信号EN给时钟同步电路，时钟同步电路完成通道切换逻辑的时钟同步、复位、使能功能，并输出触发信号TCLK；

B2，计数器设为一个量程为N的整数计数器，根据触发信号TCLK进行计数，溢出自动清零；

B3，译码器根据计数值进行片选择、通道选择输出逻辑的译码，并输出片选择、通道选择信号至N路模拟开关阵列。

3.如权利要求2所述的多路模拟信号采集方法，其特征在于，MCU是基于ARM Cortex-M3内核，具有1MHZ采样率、12位分辨率的AD转换器、DMA外设的微控制器，并执行以下多路信号采集步骤：

C1，初始化片内外设，设置AD转换器为外部触发模式、设置AD转换完成自动进行DMA请求；

C2，设置DMA对应于AD转换器，并设置对应空间的RAM容量，开启DMA满中断；启动AD转换器、启动DMA；

C3，AD转换器外设自动等待来自FPGA的触发信号TCLK，信号TCLK到来后，AD转换器自动进行对应通道模拟信号的采集，待转换完成后，自动将数据通过DMA存入指定的RAM地址；

C4，DMA自动判断指定RAM是否满，若满则向MCU产生中断请求；

C5，MCU根据DMA中断请求，开始对存入RAM中的单周期或者数周期N通道的模拟数据进行处理。