CN1746838A - 一种多通道模拟信号的采样方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子仪器或设备的多通道模拟信号采样方法和系统，目的在于提供一种抗干扰能力强、采集数据的稳定度和准确度高、传输速率快的模拟信号采样方法和系统。技术方案是：一种多通道模拟信号采样方法，包括：模拟信号调理、模数转换、数字信号传输、系统采样控制步骤，所述模拟信号调理步骤中，每个通道的模拟信号采用单独的电路、以平衡方式输入的差分信号形式进行传输；所述模数转换步骤中，所述模数转换步骤中，多个通道接口同时并行接收差分信号，同时进行模数转换；模数转换采用过采样方式；模数转换后的数字信号与微处理器之间采用高速串行通信方式进行数据交换；所述系统采样控制步骤中，系统初始化和程控命令传输采用串行接口方式。

Description

一种多通道模拟信号的采样方法和系统

技术领域

本发明涉及一种高速数据采集方法和系统，特别涉及一种用于电子仪器或设备的多通道模拟信号采样方法和系统。

背景技术

一般电子仪器或设备的模拟信号采集系统包括模拟信号调理电路、模拟信号传输电路、模拟/数字变换电路、数字信号通信电路和采样控制处理装置，在模拟信号传输电路中，通常采用共地形式传输信号，抗共模干扰能力差；模/数转换器多个通道共用一个，当需要多通道同步采样时，各通道信号必需先经采样保持器存储，然后用模拟电子开关依次切换，以实现分时转换，采样速度不高；模/数转换器大多采用逐位比较法原理，结果容易受到各种噪声的干扰而出错；连接模/数转换器与处理器的数字信号通信电路可以选择并行或串行形式。采用这种采样传输技术抗干扰能力差，采样速率低，成本高，与处理器接口复杂，采样精度、采样速度和稳定度相对较差，对产品对竞争性有了很大的影响。故目前的模拟通道采样技术方案有必要进行调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、采集数据的稳定度和准确度高、传输速率快的模拟信号采样方法和系统。

本发明的技术方案是：一种多通道模拟信号采样方法，采样过程包括：

模拟信号调理步骤，将采集的模拟信号调整为适宜模数转换器正常工作的幅值范围，并将模拟信号传输至模数转换器；

模数转换步骤，接收模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，设置数字信号与微处理器之间的传输方式；

数字信号传输步骤，将数字信号发送至微处理器；

系统采样控制步骤，对系统进行初始化设置、采样过程控制和数据预处理；

其特征是，所述模拟信号调理步骤中，每个通道的模拟信号采用单独的电路、以平衡方式输入的差分信号形式进行传输；

所述模数转换步骤中，所述模数转换步骤中，多个通道接口同时并行接收差分信号，同时进行模数转换；模数转换采用过采样方式；模数转换后的数字信号与微处理器之间采用高速串行通信方式进行数据交换；

所述系统采样控制步骤中，系统初始化和程控命令传输采用串行接口方式。

一种实现上述模拟信号采样方法的采样系统，包括，

模拟信号调理电路，将采集的模拟信号调整为适宜模数转换器正常工作的幅值范围，并将模拟信号传输至模数转换器；

模数转换电路，接收模拟信号，将模拟信号转换为数字信号；

数字信号传输电路，设置数字信号与微处理器之间的传输方式，将数字信号发送至微处理器；

系统采样控制装置，对系统进行初始化设置和控制采样过程；

其特征是，所述模拟信号调理电路中，对应每个模拟通道设置一个模拟信号差分调理电路；

所述模数转换电路中包括模拟接口电路、模数转换器和数字接口电路，每个模拟接口电路对应一个模拟输入通道，每个模拟接口电路对应一个模数转换器；模数转换器采用∑/Δ模数转换器；数字接口电路采用同步串行接口，实现模数转换器与微处理器之间的数据交换；

所述系统采样控制装置为微处理器及其控件，包括微处理器、系统初始化及程控命令传输、采样中断服务及数据处理装置；

多个输入的模拟信号，分别经各通道滤波，送入比例缩放电路，将信号幅值调整为适合模数转换器(ADC)采样的幅值范围，经过调理后的模拟信号以差分信号形式被送入一一对应的模数转换器(ADC)进行多通道并行模/数(A/D)变换，变换后的一组数字信号经过同步串行接口、数字信号差分传输电路送至微处理器的同步串行接口。

上述数字信号传输电路，当模数转换器和微处理器之间布线较长时，可选用差分传输电路，包括差分信号传输的转换器端电路和处理器端电路；采用差分传输方式发送和接收数字信号，并在接收端将差分信号还原为初始数字信号。

上述模数转换电路可以采用集成芯片的形式，若干个模数转换器设在一个芯片中。

本发明中模拟信号采用差分电路传输，具有很高的抗干扰能力，提高采集数据的稳定度；16位的∑/Δ模数转换器，内部采用过采样技术和抗混叠滤波器，同时大大提高了采集数据的稳定度和准确度；模数转换器按模拟信号输入通道数等比例配置，提高采样速率；模数转换器与微处理器之间的数据交换，采用高速串行通信，结构简单，有利于长距离传输，以差分电路传输，这又提高了数据传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1系统结构示意图

图2是本发明实施例1系统初始化及程控命令传输程序流程图

图3是本发明实施例1系统采样中断服务及数据处理程序流程图

具体实施方式

下面结合实施例作进一步说明：

实施例1

一种用于电子仪器或设备的模拟信号通道采样方法，其中硬件电路部分由模拟信号调理电路、16位的∑/Δ原理模数转换器、高速串行通信的差分传输电路和微处理器电路组成。

采样过程包括：

模拟信号调理步骤，将采集的模拟信号调整为适宜模数转换器正常工作的幅值范围，并将模拟信号传输至模数转换器；

模数转换步骤，接收模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，设置数字信号与微处理器之间的传输方式；

数字信号传输步骤，将数字信号发送至微处理器；

系统采样控制步骤，对系统进行初始化设置、采样过程控制和数据预处理；

所述模拟信号调理步骤中，设置一个参考电位，各模拟信号采用以平衡方式输入的差分信号形式，调理过程包括：输入过载保护步骤，当输入模拟信号幅值超过电源电压时，保护二极管导通，信号电平被钳位到电源电位；滤波步骤，滤除系统不关心的频率成分；比例缩放步骤，将信号调理为模数转换器所能接收的幅值范围；输出过载保护步骤，当输出模拟信号幅值超过电源电压时，保护二极管导通，信号电平被钳位到电源电位步骤；多个通道同时并行采样。

所述模数转换步骤中，多个通道接口同时接收差分信号，并同时进行模数转换。模数转换采用∑/Δ原理过采样技术和抗混叠滤波器，若干通道的模拟信号在同等数量的模数转换器中同时进行转换，数字信号与微处理器之间的数据交换，采用高速串行通信方式；

所述数字信号传输步骤中采用差分传输方式发送和接收数字信号，并在接收端将差分信号还原为初始数字信号；

所述系统采样控制步骤中，微处理器采用数字信号处理器(DSP)芯片，系统初始化及程控命令传输采用串行接口方式。

DSP芯片可以通过串行接口，向模数转换器发送一系列初始化命令，来实现对模数转换器的初始化。模数转换器一经启动，便按照事先规定好的采样速率和采样顺序，周而复始地工作，并不断地向微处理器传送最新采集到的数据。

可以用两种方法控制串行接口对模数转换器的操作：1)常规串行控制，即串行接口每发送或接收一个字，就向处理器提出中断请求，等待处理；2)对于具备DMA功能的微处理器，可以将串行接口关联到DMA通道，使之可以将一系列命令从内存直接发送到模数转换器，或者从模数转换器成组地接收数据并直接存入到内存，在这过程中间无需中断处理器，待批量传送完成后，由DMA提出中断请求，进行数据处理或其他相关操作。

DSP芯片的控制软件部分由系统初始化及程控命令传输程序、采样中断服务及数据处理程序两部分组成。系统初始化及程控命令传输程序包括处理器的串行通信接口初始化、DMA通道初始化、模数转换器初始化等，采样中断服务及数据处理程序包括采样数据从DMA缓冲区转移到采样数据窗、采样数据窗指针的调整，必要时可根据需要在此加入一定的自检功能以监视采样系统的工作状况。

为了保证采样数据的可靠传输，防止因处理器繁忙而造成数据丢失，DMA缓冲区应设置为双缓冲交互工作，这样就为采样数据的转移及相关处理留出了足够的时间，提高整个采样系统的可靠性。

如图2所示，系统初始化及程控命令传输程序流程如下：

1)采样指针及相关工作标志置初始值，送出禁止模数转换器工作的控制信号；

2)串行接口配置为发送状态，DMA通道配置为读方式(内存---＞串口)，准备将一系列控制命令发送到模数转换器，以实现模数转换器的初始化；

 3)启动DMA通道、串行接口开始工作，送出允许模数转换器工作的控制信号，处理器开始发送控制命令，模数转换器同步开始接收控制命令；

4)判断命令发送过程是否结束，未完在此等待，完成后转下一步；

5)串行接口配置为接收状态，DMA通道配置为写方式(串口---＞内存)，必需设置接收多少个字的采样数据后，请求中断；

6)允许DMA请求中断，启动串行接口、DMA通道开始工作，处理器开始接收模数转换器的采样数据；

7)初始化任务完成，以后DMA通道在收到规定的字数后提出中断请求。

如图3所示，采样中断服务及数据处理程序流程如下：

1)根据采样指针将采样数据从DMA缓冲区拷贝到采样数据窗；

2)采样指针调整到指向采样数据窗的下一个位置；

3)其他需要处理的事项，如采样自检、激活数据计算处理任务等功能。

实施例2

图1为一种实现上述模拟信号采样方法的采样系统的结构示意图，本例以12个通道为例，其中模拟信号调理电路部分共包括12个模拟信号调理分电路1，图中仅画出一个模拟通道的调理分电路1。模拟信号分调理电路1包括：输入信号过载保护电路11，信号低通滤波器电路12，信号比例放大器电路13，输出信号过载保护电路14；参考电位发生器电路6，产生参考电位Vref；模数转换电路2中，包括模拟接口电路21、16位∑/Δ模数转换器22和数字接口电路23，每个模拟通道对应一个模拟接口电路21，每个模拟接口电路对应一个16位∑/Δ模数转换器，本实施例中，12个通道共对应12个模拟接口电路和12个16位的∑/Δ模数转换器，每6个模拟接口电路21和∑/Δ模数转换器22以及一个数字接口电路集成在一块芯片ADC1A中，即12通道的模拟数据采样系统需要2个芯片ADC1A和ADC2A；数字通信电路3为数字通信信号差分传输电路，包括差分信号的转换器端电路31和处理器端电路32；时钟发生器、控制信号同步电路5，产生外部同步或触发信号；微处理器4采用DSP芯片及同步串行接口电路，DSP芯片是整个系统的控制核心，负责模块的初始化设置、采集过程控制和数据的预处理，以及与外部系统的数据交换控制。

在本实施例中，对于每个模拟输入信号，均由Chip、Chin点以平衡方式输入，后经滤波器电路12滤除系统不关心的频率成分(本例为低通滤波器，可根据需要调整为其他滤波器)，再经放大(或缩小)器13将信号调理为模数转换器所能接收的幅值范围，放大(缩小)器的倍率应根据实际需要确定，最后模拟信号被传送到模数转换器的输入端。模拟信号差分传输电路中11、14为信号过载保护电路，当模拟信号幅值超过电源电压时，保护二极管导通，信号电平被钳位到电源电位。模拟输入信号的参考电位Vref，既可以由参考电位电路6产生，也可以使用模数转换器提供的REFOUT信号。

如图2所示，系统初始化及程控命令传输装置包括：

1)采样指针及相关工作标志置初始值，送出禁止模数转换器工作的控制信号的装置；

2)配置串行接口为发送状态，DMA通道配置为读方式，准备将一系列控制命令发送到模数转换器，以实现模数转换器的初始化的装置；

3)启动DMA通道、串行接口开始工作，送出允许模数转换器工作的控制信号，处理器开始发送控制命令，模数转换器同步开始接收控制命令的装置；

4)判断命令发送过程是否结束，未完在此等待，完成后转下一步的判断装置；

5)配置串行接口为接收状态，配置DMA通道为写方式，设置接收多少个字的采样数据后请求中断的控制装置；

6)允许DMA请求中断，启动串行接口、DMA通道开始工作，处理器开始接收模数转换器的采样数据的启动装置；

7)初始化任务完成，以后DMA通道在收到规定的字数后提出中断请求的请求装置。

如图3所示，采样中断服务及数据处理装置包括：

1)根据采样指针将采样数据从DMA缓冲区拷贝到采样数据窗的装置；

2)采样指针调整到指向采样数据窗的下一个位置的装置；

3)其他需要事项的处理装置。

Claims (10)

1、一种多通道模拟信号采样方法，采样过程包括：

模拟信号调理步骤，将采集的模拟信号调整为适宜模数转换器正常工作的幅值范围，并将模拟信号传输至模数转换器；

模数转换步骤，接收模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，设置数字信号与微处理器之间的传输方式；

数字信号传输步骤，将数字信号发送至微处理器；

系统采样控制步骤，对系统进行初始化设置、采样过程控制和数据预处理；

其特征是，所述模拟信号调理步骤中，每个通道的模拟信号采用单独的电路、以平衡方式输入的差分信号形式进行传输；

所述模数转换步骤中，多个通道接口同时并行接收差分信号，同时进行模数转换；模数转换采用过采样方式：模数转换后的数字信号与微处理器之间采用高速串行通信方式进行数据交换；

所述系统采样控制步骤中，系统初始化和程控命令传输采用串行接口方式。

2、根据权利1所述的模拟信号采样方法，其特征是，所述数字信号传输步骤中，采用差分传输方式发送和接收数字信号，并在接收端将差分信号还原为初始数字信号。

3、根据权利1所述的模拟信号采样方法，其特征是，所述微处理器的同步串行口采用DAM方式将采样值直接存入内存，DMA缓冲区设置为双缓冲交互工作方式。

4、根据权利3所述的模拟信号采样方法，其特征是，所述系统初始化过程为：

1)采样指针及相关工作标志置初始值，送出禁止模数转换器工作的控制信号；

2)串行接口配置为发送状态，DMA通道配置为读方式，准备将一系列控制命令发送到模数转换器，以实现模数转换器的初始化；

3)启动DMA通道、串行接口开始工作，送出允许模数转换器工作的控制信号，处理器开始发送控制命令，模数转换器同步开始接收控制命令；

4)判断命令发送过程是否结束，未完在此等待，完成后转下一步；

5)串行接口配置为接收状态，DMA通道配置为写方式，必需设置接收多少个字的采样数据后，请求中断；

6)允许DMA请求中断，启动串行接口、DMA通道开始工作，

处理器开始接收模数转换器的采样数据；

7)初始化任务完成，以后DMA通道在收到规定的字数后提出中断请求。

5、根据权利4所述的模拟信号采样方法，其特征是，所述采样中断服务程序流程如下：

1)根据采样指针将采样数据从DMA缓冲区拷贝到采样数据窗；

2)采样指针调整到指向采样数据窗的下一个位置；

3)其他需要处理的事项。

6、一种实现权利要求1采样方法的多通道模拟信号采样系统，包括，

模拟信号调理电路，将采集的模拟信号调整为适宜模数转换器正常工作的幅值范围，并将模拟信号传输至模数转换器；

模数转换电路，接收模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，设置数字信号与微处理器之间的传输方式，；

数字信号传输电路，将数字信号发送至微处理器；

系统采样控制装置，对系统进行初始化设置和控制采样过程；

其特征是，所述模拟信号调理电路中，对应每个模拟通道设置一个模拟信号差分调理电路；

所述模数转换电路中包括模拟接口电路、模数转换器和数字接口电路，每个模拟接口电路对应一个模拟输入通道，每个模拟接口电路对应一个模数转换器；模数转换器采用∑/Δ模数转换器；数字接口电路采用同步串行接口，实现模数转换器与微处理器之间的数据交换；

所述系统采样控制装置为微处理器及其控件，包括微处理器、系统初始化及程控命令传输、采样中断服务及数据处理装置；

多个输入的模拟信号，分别经各通道滤波，送入比例缩放电路，将信号幅值调整为适合模数转换电路(ADC)采样的幅值范围，经过调理后的模拟信号以差分信号形式被送入一一对应的模数转换器(ADC)进行多通道并行模/数(A/D)变换，变换后的一组数字信号经过同步串行接口、数字信号差分传输电路送至微处理器的同步串行接口。

7、根据权利6所述的模拟信号采样系统，其特征是，所述数字信号传输电路，选用差分传输电路，包括差分信号传输的转换器端电路和处理器端电路。

8、根据权利6所述的模拟信号采样系统，其特征是，所述系统初始化及程控命令传输装置包括：

1)采样指针及相关工作标志置初始值，送出禁止模数转换器工作的控制信号的装置；

2)配置串行接口为发送状态，DMA通道配置为读方式，准备将一系列控制命令发送到模数转换器，以实现模数转换器的初始化的装置；

3)启动DMA通道、串行接口开始工作，送出允许模数转换器工作的控制信号，处理器开始发送控制命令，模数转换器同步开始接收控制命令的装置；

4)判断命令发送过程是否结束，未完在此等待，完成后转下一步的判断装置；

5)配置串行接口为接收状态，配置DMA通道为写方式，设置接收多少个字的采样数据后请求中断的控制装置；

6)允许DMA请求中断，启动串行接口、DMA通道开始工作，处理器开始接收模数转换器的采样数据的启动装置；

7)初始化任务完成，以后DMA通道在收到规定的字数后提出中断请求的请求装置。

9、根据权利6所述的模拟信号采样系统，其特征是，所述采样中断服务及数据处理装置包括：

1)根据采样指针将采样数据从DMA缓冲区拷贝到采样数据窗的装置；

2)采样指针调整到指向采样数据窗的下一个位置的装置；

3)其他需要事项的处理装置。

10、根据权利6所述的模拟信号采样系统，其特征是，若干个数量相等的模拟接口电路和模数转换器，集成在一个芯片中。

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