一款用于专用计算机的数据采集电路设计

　　摘要

　　随着电子信息技术的飞速发展，数据采集电路可准确、实时完成多路信号的采集，被广泛的应用于智能测控、医疗检测、农业生产、国防军事等领域，极大的推动了自动化和信息化水平。

　　本论文依据军方用户提出的任务要求，研制了一款用于专用计算机的数据采集电 路，装备于某型号战车，主要用于采集车载电站的各路电源电压及漏电数据。该数据采集电路在信号采集量程、通道数目、可靠性、个性化、环境适应性等方面有特殊要 求，市面上通用的数据采集电路难以满足任务要求。本文综合考虑了性能指标、可靠性、设计难度及成本等因素，对数据采集电路的主要功能模块进行了方案论证，选择了以 AD977A 为核心的数据采集方案。硬件电路设计包括接口电路、调理电路、A/D转换电路、总线及控制电路、PCB（Printed Circuit Board,中文又称印制电路板）设 计等部分；针对可编程逻辑软件进行了软件功能设计，实现了 AD977A 芯片和 CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect,中文又称紧凑型外设部件互连标准）总线协议的兼容。

　　本文最后对设计实现的数据采集电路各项功能进行了调试与测试，测试结果表明，基于 AD977A 的专用计算机数据采集电路满足军方用户的任务需求，达到了预期设计目标。

　　关键字：数据采集电路，AD977A,CPCI 总线，PCB 设计

　　ABSTRACT

　　With the rapid development of electronic information technology, data acquisition circuits are widely used in the field of intelligent measurement and control, medical detection, agricultural production, national defense military application. due to the advantages of real-time and accuracy in multi-channel data acquisition.Which greatly promote the level of automation and informatization.

　　In this thesis, a data acquisition circuit for a special computer is developed according to the task requirements of military users, which is equipped in a certain type of fighting vehicle. The data acquisition circuit we developed is mainly used to collect the voltage and leakage data of various power sources of the vehicle-mounted power station. The data acquisition circuit has special requirements in signal acquisition range, number of channels, reliability, personalization, environmental adaptability and other aspects. Howver, the common data acquisition circuit in the market is difficult to meet all the task requirements. Considering the the factors of performance, reliability, difficulty and cost, we discussed the main function module of the data acquisition circuit and finally the choose data acquisition program with AD977A as the core. Hardware circuit design includes interface circuit, conditioning circuit, A/D conversion circuit, bus and control circuit, PCB design, etc.The software system was developed according to programmable logic, which own the characteristic of the compatibility of AD977A chip and Compact Peripheral Component Interconnect bus protocol.

　　Finally, all the design functions and indicators of data acquisition circuit developed by us were debugged and tested. The test results showed that the ad977a-based special computer data acquisition circuit met the task requirements of military users and reached the expected design goal.

　　Keywords: Data acquisition circuit,AD977A,CPCI Bus,PCB design

目录

　　第一章 绪论

　　1.1 论文的选题背景

　　在当今社会，数据采集技术作为我们获取信息的工具[1, 2],在机械电子[3, 4]、冶金制造、军事工业[5, 6]等领域中发挥着非常重要的作用，已经广泛而深入的应用于国民经济和国防建设的每个领域。数据采集是数字信号处理的重要组成部分，大自然中几乎所有的信号都是模拟量，计算机无法直接处理模拟信号，只能识别数字信号，因此必须将大自然中的模拟量，例如电压[7]、温度[8]、电流[9]、压力以及声音等信息转换为数字信号[10],然后交给计算机进行计算和处理。特别是现在计算机等自动化设备的应用越来越广泛，数据采集技术的重要性就越发凸显，随着信息技术的迅速发展，对信号进行高速度、高精度的采集已经成为信号处理的关键。数据采集是以传感器技术[11, 12]、电信号检测[13, 14]、接口技术[15, 16]、可编程控制器技术[17, 18]和计算机控制技术[19, 20]等先进处理技术为基础形成的一门综合应用技术。自上世纪 90 年代以来，世界先进国家的数据采集技术已经在军事工业、航空航天[21]等尖端领域大面积应用。

　　一般而言，数据采集系统要完成的基本工作是从信号源收集数据，然后将接收的信号转换成数字信号，并将其传输到主机进行观察分析，或直接将数字信号送入特定的信号处理系统，根据不同的需要进行计算和处理。

　　1.2 数据采集的国内外现状

　　1.2.1 数据采集的国外现状

　　1）数据采集技术的发展历程

　　数据采集技术的研究起步于 20 世纪 50 年代，当时的采集设备能够采集的数据点非常有限，并且速度慢、精度差[22, 23].20 世纪 60 年代，得益于半导体技术的研究与进步，美国科学家将半导体分立器件应用到 了数据采集领域，使得数据采集技术初步具有了实际使用价值，很快数据采集技术便应用到了军事工业领域[24, 25].20 世纪70 年代，得益于微处理器这一划时代产物的诞生，数据采集技术受到牵引，也步入了发展的快车道。到了 20 世纪 80 年代，随着集成电路的发展，出现了一些专用的数据采集芯片，推动了数据采集技术的跨越式发展，走向智能化和多元化的方向。进入90 年代后期，工业计算机[26]、大规模集成电路[27]和单片机技术[28]再次推动了数据采集技术的发展，涌现出了方便快捷的软件开发环境，开发成本大大降低，采集系统的体积更小，同时拥有更强的数据处理能力，也朝着微处理器控制和智能采集系统[29]的方向发展。可以说数据采集技术是伴随着半导体技术、计算机技术以及集成电路技术同步发展起来的，相互之间共同促进，相互牵引。

　　2）数据采集设备的研究现状无论在民用市场还是军用领域，美国的数据采集技术仍然处于世界的领先地位，电子测量和微电子领域的领先优势也为其数据采集设备的开发提供了更好的平台。

　　例如 Spectrum 公司在 2002 年就推出了基于 PCI 总线的通用数据采集卡，采样率可达每秒 200M,采集信号带宽 250MHz,分辨率为 10bit,支持 100MB/s 速率的 DMA传输模式。NI 公司推出的 PXIe-5186 型双通道数据采集卡，平衡了采集精度、采集速度、数据吞吐量和接口多功能性等各项指标，它的采样率高达每秒12.5G,拥有5GHz采样带宽[30, 31],分辨率为 8 位，每个通道的存储容量为 512Mb,与上位机的通信速率可达 700 Mb/s. 3）A/D 转换器的研究现状美国 ADI 公司是全球著名的数据转换和信号处理方案供应商，公司旗下的 A/D转换器系列和种类繁多，有高精度、高速度、高分辨率等不同的侧重点[32, 33],表 1-1给出了现有的一些比较有代表性的芯片参数指标。

　　1.2.2 数据采集的国内现状

　　1）数据采集技术的发展历程相对西方发达国家，我国对数据采集技术的研究起步较晚，当时主要是一些仪器仪表公司进行数据采集技术研究，由于技术和软硬件等诸多因素的限制，研发速度相对落后。当时只开发出技术规格较低的小型数据采集设备，只能采集单通道信号，甚至有些设备只能采集静态信号。自 21 世纪以来，受到飞速发展的计算机技术以及数据处理技术的推动，我国的数据采集技术也取得了长足的进展，涌现出了一大批成熟的数据采集设备。

　　2）数据采集设备的研究现状虽然国内与世界先进水平仍存在较大差距，但近年来经过国内一些大学和研究机构的不断探索和研究，在采集设备的研发上，也取得了很大的进步，取得了较好的效果。

　　例如中国电子科技集团某研究所开发的雷达数据记录设备，数据采集和存储速率可达 100Mb/s;北京某航天研究所研制的数据采集电路，采用 PCI 总线，分辨率为 16bit,采样率可达每秒 30M,可通过多种触发方式实现 4 通道同步采集[10, 34, 35].但科研院所研制的数据采集设备往往是根据任务需求进行专项研制，有其特定的功能性能指标，通用性较差。

　　近年来许多民营公司涌入军工市场，研发出一些货架式通用的数据采集设备，也符合军工产品对可靠性和环境适应性要求较高的特性，但对某些公司的产品调研与试用后，发现质量控制以及售后服务方面普遍仍待提高。

　　3）A/D 转换器的研究现状国内的 A/D 转换器产业起步晚，目前仍在追赶世界先进水平的路上。国内这些年发展起来的 A/D 转换器基本是仿制国外成熟产品，以国内领先的成都华微电子有限公司为例，表 1-2 列出其现有的 A/D 转换器产品以及对应的国外型号。

　　4）国内市场数据采集设备的问题通过对数据采集设备的国内市场调研，发现进口产品虽然技术先进、可靠性高，但是价格也比较昂贵，而且在功能定制与售后服务方面比较麻烦；国内产品近些年进步速度很快，但质量方面还需继续提高。

　　尤其应用在军工特定型号产品上，性能指标往往是有定制化需求，而且对可靠性方面要求较高，国内外的产品很难同时满足这些需求，因此需要为其设计一套专用的数据采集解决方案。

　　1.3 论文的主要工作及章节安排

　　本论文根据军方用户提出的任务要求，研制了一款用于专用计算机的数据采集电路（以下简称"数据采集电路"），装备于某型号战车，主要用于采集车载电站的各路电源电压及漏电数据。该数据采集电路对可靠性、环境适应性方面要求较高，并且在具体的性能指标上有其个性化需求，市面上通用的数据采集电路难以满足任务要求，同时出于对技术自主可控的诉求，需进行定制。本论文主要工作是对该数据采集电路的研制过程进行了总结。

　　本文各章节安排如下：

　　第一章绪论，介绍了论文的选题背景，讨论了数据采集技术的国内外发展现状，明确了论文的主要工作，并对论文的章节安排做了简要介绍。

　　第二章数据采集电路的总体设计，在分析了数据采集电路的性能指标要求后，给出了总体设计方案，并对接口电路、调理电路、A/D 转换电路、总线及控制电路以及可编程逻辑软件进行了方案论证。

　　第三章数据采集电路的硬件电路设计，按照第二章中的既定方案开展设计，对各功能模块以及 PCB 的设计进行了详细说明。

　　第四章数据采集电路的可编程逻辑软件功能设计，分别对软件的三个功能模块进行功能设计，并进行了功能仿真。

　　第五章数据采集电路的调试、测试及测试结果分析，描述了数据采集电路的调试过程和测试验证过程，并对测试结果进行了分析。

　　第六章总结和展望，首先对全文的工作进行了总结，并对下一阶段研究重点进行了展望。

　　第二章 数据采集电路的总体设计
　　2.1 数据采集电路的功能及性能指标要求
　　2.2 数据采集电路的总体方案设计
　　2.2.1 数据采集原理
　　2.2.2 数据采集电路的总体方案设计
　　2.3 数据采集电路的方案论证
　　2.3.1 接口电路方案论证
　　2.3.2 调理电路方案论证
　　2.3.3 A/D 转换电路方案论证
　　2.3.4 总线及控制电路方案论证
　　2.3.5 可编程逻辑软件方案论证
　　2.4 小结

　　第三章 数据采集电路的硬件电路设计
　　3.1 接口电路设计
　　3.1.1 多通道切换电路设计
　　3.1.2 接口保护电路设计
　　3.2 调理电路设计
　　3.2.1 分压电路设计
　　3.2.2 跟随电路设计
　　3.2.3 放大电路设计

　　3.3 AD977A 外围电路设计
　　3.3.1 信号量程选择
　　3.3.2 基准源选择
　　3.3.3 偏置和增益调节电路设计
　　3.3.4 AD977A 的供电设计
　　3.3.5 AD977A 控制信号的处理
　　3.4 总线及控制电路设计
　　3.4.1 隔离电路设计
　　3.4.2 CPLD 电路设计
　　3.4.3 CPCI 总线控制电路设计

　　3.5 PCB 设计
　　3.5.1 PCB 叠层设计
　　3.5.2 PCB 布局设计
　　3.5.3 PCB 布线设计
　　3.6 小结

　　第四章 数据采集电路的可编程逻辑软件功能设计
　　4.1 可编程逻辑软件开发工具简介
　　4.2 A/D 转换控制模块功能设计
　　4.3 多通道切换控制模块功能设计
　　4.4 总线控制模块功能设计
　　4.5 小结

　　第五章 数据采集电路的调试与测试
　　5.1 数据采集电路的调试
　　5.1.1 调试环境建立
　　5.1.2 静态调试
　　5.1.3 动态调试
　　5.2 数据采集电路的测试
　　5.2.1 测试环境建立
　　5.2.2 数据采集电路的测试
　　5.2.3 数据采集电路的测试结果分析
　　5.3 小结

　　第六章 总结与展望

　　6.1 总结

　　随着电子信息技术的飞速发展，数据采集电路因为能够准确、实时完成多路信号的采集，被广泛的应用于智能测控、医疗检测、农业生产、国防军事等领域。在军工行业的应用往往需要根据用户的要求定制产品，本论文设计并实现的数据采集电路具备多通道采集功能，具有较高的可靠性，满足用户的使用需求。本人完成的主要工作如下：

　　1）分析用户提出的功能性能指标要求，完成数据采集电路的方案设计，对各功能模块进行方案论证，选择以 AD977A 为核心的设计方案。 2）完成了数据采集电路硬件部分电路图设计和 PCB 设计。

　　3）完成了数据采集电路的可编程逻辑软件功能设计，并对各功能模块进行了功能仿真。

　　4）对数据采集电路进行调试及全面的功能性能测试，在试验验证过程中发现一处设计问题并进行了设计改进，针对测试结果进行了分析，数据采集电路达到了设计指标，满足军方用户的需求。

　　以下针对高低温工作试验中的故障排查工作以及设计改进措施进行说明。

　　数据采集电路在高温工作试验中出现了零点漂移现象，随着温度升高，标准电压采集通道的偏置误差越来越大，温度稳定在+70℃时，偏置误差约 0.3V,测试软件报错。于是在固态继电器后级、分压电路后级、跟随电路后级各引出一个调试信号线， 用 5500A 注入标准模拟信号进行 A/D 转换，观察在误差产生在哪一级，最终将故障定位到分压电路后级的一组钳位二极管上，型号是 1N4148.

　　查阅器件手册并进行分析，发现 1N4148 在高温下反向漏电流会急剧增大，会在前级 0.5MΩ 分压电阻上形成压降，影响被采集信号。将这两只二极管解焊，再次验证数据采集电路在+70℃下的采集精度，得到了显著改善，所有通道测试正常。因此高温工作试验出现的零点漂移现象，是由于对二极管高温下漏电流较大特性未深入研究，造成数据采集电路原理设计上存在缺陷引起的。

　　设计钳位二极管的初衷是基于冗余设计的思想，在该点电压超出-15.7V~+15.7V范围时，即分压前的输入电压超出了-157V~+157V 范围时，可以通过钳位二极管泄放，保护后级的模拟电路。只有在前级保护电路失效的情况下，这组钳位二极管才会发挥作用，并非必须的电路，因此设计改进措施是拆除钳位二极管，后续投产数据采集电路时不再焊接钳位二极管。

　　6.2 展望

　　由于个人水平有限，在数据采集电路设计上还存在一些不足之处，在下一阶段的研究中，针对以下两点可以加以改进：

　　一是目前数据采集电路不具备自检功能，下阶段设计两路自检通道，可以在不依赖外部信号输入的情况下，对板内调理电路、A/D 转换电路、总线及控制电路进行检测，特别是在数据采集结果异常时，可以通过自检功能很方便的对故障进行初步判断。

　　二是可以在可编程逻辑软件中加入软滤波设计，进一步提高采集精度。

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致谢

　　在毕业论文即将完成之际，谨向研究生期间指导、帮助和关心我的人，尤其是我的导师张万绪老师，表达真挚的感谢。

　　在攻读硕士学位期间，张老师严谨的治学态度、深厚的理论功底、宽广的眼界以及对同学们热情的指导鼓励，都促使我更加认真的学习和研究；而张老师平易近人的师长风范，更是给我留下了深刻的印象，终身受益。

　　同时也要感谢信息学院的刘成和张馨元等各位老师，感谢他们在我学习路程中的悉心指导。

　　我还要感谢单位的领导以及同事们，在本论文的研究过程中给予的大力帮助和支持。

　　同样应该感谢的，是我的家人，感谢多年来他们对我的关怀和理解。

　　最后，谨向审查本文的各位评委专家表示最衷心的感谢。

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