CN109062095A - 一种高精度的多通道数据采集卡及采集方法 - Google Patents

一种高精度的多通道数据采集卡及采集方法 Download PDF

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郑丁丁
詹毅
黄均安
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Abstract

本发明公开了一种高精度的多通道数据采集卡及采集方法，本发明装置部分包括数据采集通道模块和数据采集控制模块；所述的数据采集通道模块包括连接器、通道选择开关、可编程增益电路、A/D转换器和双通道D/A转换器；所述的数据采集控制模块包括FPGA模块和PCI模块；本发明在多达80路模拟输入通道的情况下，仅仅使用一片A/D转换器，同时使用低导通电阻的通道选择开关进行通道的选择，这样可以将通道切换产生的影响最小化，本发明的可编程放大电路由可编程增益的仪表放大器和全差分漏斗放大器组成，一共可实现7种不同的增益选择，就可以选择最合适的模拟输入量程进行采样，增加采样的精度。

Description

一种高精度的多通道数据采集卡及采集方法
技术领域
本发明属于工业自动化的数据采集技术领域，尤其涉及一种高精度的多通道数据采集及采集方法。
背景技术
随着数据采集技术不断发展，数据采集的应用范围也越来越广，而且所涉及的采集信号种类越来越多、信号幅度范围越来越大，这时候传统的数据采集卡难以满足高精度的多通道数据采集的要求，这里主要有以下几个问题：
⑴传统的单路数据采集卡不能满足多路测试信号的需要。
⑵多路数据采集卡一般都使用多片A/D转换器，成本高，而且在同步采样下通道数限制于A/D转换器的个数。
⑶模拟输入信号范围小限制了数据采集卡的使用。
⑷数据采集卡的主要功能为模拟输入，不能满足模拟输出的功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提高一种高精度的多通道数据采集卡及采集方法。
一种高精度的多通道数据采集卡，包括数据采集通道模块和数据采集控制模块；所述的数据采集通道模块包括连接器、通道选择开关、可编程增益电路、A/D转换器和双通道D/A转换器；所述的数据采集控制模块包括FPGA模块和PCI模块；
所述的连接器的输出引脚与通道选择开关输入端口连接，通道选择开关输出端口接可编程增益电路的输入端口，可编程增益电路的输出端口接到A/D转换器的输入端口，A/D转换器与FPGA模块信号连接，FPGA模块与PCI模块信号连接，FPGA与D/A转换器信号连接，D/A转换器的输出端口接连接器的输入引脚。
作为优选，所述的可编程增益电路由可编程增益的的仪表放大器和全差分漏斗放大器组成。
作为优选，所述的通道选择开关包括六片ADG1407、一片ADG1419和一片ADG1404；其中五片ADG1407的输入引脚接连接器的输出引脚；该5片ADG1407的输出引脚接与剩余一片的ADG1407的输入引脚连接，剩余一片的ADG1407的DA输出引脚、DB输出引脚与ADG1419输入引脚连接，剩余一片的ADG1407的DB输出引脚和连接器上的参考端与ADG1404的输入引脚连接，ADG1419的输出作为可编程增益电路正端输入，ADG1404的输出作为可编程增益电路负端输入。
一种高精度的多通道数据采集卡的采集方法，具体为：采集到的模拟信号通过连接器输入到通道选择开关，通道选择开关完成模拟通道的选择以及参考端的选择，通道选择开关第一级5个16选2开关ADG1407对80路模拟输入通道进行分类，根据差分输入模式时有40路将作为可编程增益电路的负端输入，这40路模拟通道和其余40路模拟通道作为正端输入的40路模拟通道分为上下两部分。第二级的16选2开关ADG1407对上一级分出的10路信号再一次分类，DA作为上面的40路的输出，DB作为下面40路的输出，选择开关的输出和可编程增益电路相连实现增益的选择，这里的可编程增益电路包括数字式可编程增益的仪表放大器和全差分漏斗放大器，其中，仪表放大器的增益为1、2、5或10；全差分漏斗放大器提供0.4或0.8倍的精密衰减。通过在相同信号路径进行放大信号和衰减信号，减少系统的复杂性以及系统成本。同时，灵活的模拟前端增加了数据采集卡可采集信号的幅度范围，再经过增益选择来提高A/D转换器的采样精度，可编程增益电路的输出到A/D转换器完成采集信号的采样，采集到的信号先存入FPGA的FIFO之中，这里由FPGA控制采样过程，当FPGA通过外部总线收到采样起始信号之后，FPGA向A/D输出转换信号CONV以及SDI信号，A/D开始采样，上位机通过PCI模块对FIFO进行读取，采样过程中对FIFO的读取采用轮询的方式，一次轮询之后对FIFO进行读取，采样时A/D转换器量程通道上位机的界面采用列表的形式往下设置；
上位机的数据通过PCI模块传输到FPGA，FPGA控制D/A转换器的写信号WR，在写信号WR的下降沿将数据通过数据总线传输到D/A转换器，D/A转换器完成数据的D/A转换之后通过连接器的模拟输出引脚输出模拟信号。
本发明有益效果如下：
⑴在多达80路模拟输入通道的情况下，仅仅使用一片A/D转换器，同时使用低导通电阻的通道选择开关进行通道的选择，这样可以将通道切换产生的影响最小化。
⑵可编程放大电路由可编程增益的仪表放大器和全差分漏斗放大器组成，一共可实现7种不同的增益选择，就可以选择最合适的模拟输入量程进行采样，增加采样的精度。
⑶数据采集卡不仅具有模拟输入的功能，还具有模拟输出的功能，在单个时钟控制下能够产生波形，可满足不同的需求。
附图说明
图1为本发明的数据采集卡框图。
图2为通道选择开关电路。
图3为可编程增益框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
参见图1，本实施例中，可编程逻辑器件采用FPGA芯片，通道选择开关采用ADI公司的ADG系列多路复用器，该系列之中多种芯片都具有低导通电阻的特点，A/D转换芯片采用AD7986，该芯片是单通道A/D转换器，具有18位分辨率，最大采样率可达2MS/s，D/A转换芯片采用具有16位分辨率，双通道的AD5547，PCI接口芯片采用基于32bits/66MHz的PCI总线通用接口芯片PCI9056。硬件连接是：将通道选择开关和可编程增益电路作为AD7986的高性能模拟前端，将AD7986和FPGA相连，由FPGA控制AD7986的采样并将采样数据锁存在FPGA的FIFO之中，将FPGA和PCI9056相连，利用DMA传输模式，实现本地总线和PCI总线的双向传输。
参见图2，通道选择开关包括具有超低导通电阻的6片ADG1407、1片ADG1419和1片ADG1404，ADG1407可以将8个差分输入中一个切换到差分输出，ADG1419是2选1多路复用器，ADG1404是4选1多路复用器，实现了80个模拟输入通道的通道切换，在使用一片ADC芯片的情况下，降低了成本。由ADG1407和ADG1419实现差分输入信号的正端选择，由ADG1404实现差分输入信号的负端选择，当选择参考端作为负端输出时，模拟信号输入模式为单端模式；当选择模拟通道作为负端输出时，模拟信号输入模式为差分模式。
参见图3，可编程增益电路包括：一个可编程增益的仪表放大器AD8250、一个双通道单开双掷开关ADG1436和一个全差分漏斗放大器AD8475。其中，AD8250具有4种增益可选，分别是1、2、5或10，由A0和A1控制选择哪种增益；ADG1436的导通电阻只有1.5欧姆，具备良好的低失真性，它的作用是AD8475衰减系数的选择；AD8475作为全差分漏斗放大器，可选择衰减系数为0.4或0.8。通过这样一个高性能的模拟前端，可以实现7种增益选择，加上常用的一些滤波电路，使信号到达A/D转换器之前得到足够的信号调理。
其中AD7986，AD5547和FPGA的接口电路，FPGA芯片选择的是XC7A35T。AD7986工作模式选择CS模式时SDI为高电平，FPGA通过控制CNV信号控制AD7986的采样，CNV为高电平时停止采样，时钟不计数，CNV为低电平时开始采样。对于AD5547来说，采用A0、A1地址译码方式实现对AD5547两个DAC通道的选择，D0～D15为16位数据位。在写信号WR的下降沿，数据直接从数据总线中载入输入寄存器；在LDAC信号的上升沿，输入寄存器中的信号进入DAC寄存器，同步更新DAC的输出。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度的多通道数据采集卡，其特征在于：包括数据采集通道模块和数据采集控制模块；所述的数据采集通道模块包括连接器、通道选择开关、可编程增益电路、A/D转换器和双通道D/A转换器；所述的数据采集控制模块包括FPGA模块和PCI模块；
所述的连接器的输出引脚与通道选择开关输入端口连接，通道选择开关输出端口接可编程增益电路的输入端口，可编程增益电路的输出端口接到A/D转换器的输入端口，A/D转换器与FPGA模块信号连接，FPGA模块与PCI模块信号连接，FPGA与D/A转换器信号连接，D/A转换器的输出端口接连接器的输入引脚。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的多通道数据采集卡，其特征在于：所述的可编程增益电路由可编程增益的的仪表放大器和全差分漏斗放大器组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度的多通道数据采集卡，其特征在于：所述的通道选择开关包括六片ADG1407、一片ADG1419和一片ADG1404；其中五片ADG1407的输入引脚接连接器的输出引脚；该5片ADG1407的输出引脚接与剩余一片的ADG1407的输入引脚连接，剩余一片的ADG1407的DA输出引脚、DB输出引脚与ADG1419输入引脚连接，剩余一片的ADG1407的DB输出引脚和连接器上的参考端与ADG1404的输入引脚连接，ADG1419的输出作为可编程增益电路正端输入，ADG1404的输出作为可编程增益电路负端输入。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的多通道数据采集卡的采集方法，其特征在于：采集到的模拟信号通过连接器输入到通道选择开关，通道选择开关完成模拟通道的选择以及参考端的选择，通道选择开关第一级5个16选2开关ADG1407对80路模拟输入通道进行分类，根据差分输入模式时有40路将作为可编程增益电路的负端输入，同时这40路模拟通道和其余40路模拟通道也可作为单端输入模式的正端输入，分为上下各40路；第二级的16选2开关ADG1407对上一级分出的10路信号再一次分类，DA作为上面的40路的输出，DB作为下面40路的输出，选择开关的输出和可编程增益电路相连实现增益的选择，这里的可编程增益电路包括数字式可编程增益的仪表放大器和全差分漏斗放大器，其中，仪表放大器的增益为1、2、5或10；全差分漏斗放大器提供0.4或0.8倍的精密衰减；通过在相同信号路径进行放大信号和衰减信号，减少系统的复杂性以及系统成本；同时，灵活的模拟前端增加了数据采集卡可采集信号的幅度范围，再经过增益选择来提高A/D转换器的采样精度，可编程增益电路的输出到A/D转换器完成采集信号的采样，采集到的信号先存入FPGA的FIFO之中，这里由FPGA控制采样过程，当FPGA通过外部总线收到采样起始信号之后，FPGA向A/D输出转换信号CONV以及SDI信号，A/D开始采样，上位机通过PCI模块对FIFO进行读取，采样过程中对FIFO的读取采用轮询的方式，一次轮询之后对FIFO进行读取，采样时A/D转换器量程通道上位机的界面采用列表的形式往下设置；
上位机的数据通过PCI模块传输到FPGA，FPGA控制D/A转换器的写信号WR，在写信号WR的下降沿将数据通过数据总线传输到D/A转换器，D/A转换器完成数据的D/A转换之后通过连接器的模拟输出引脚输出模拟信号。
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