利用SoC單片機(jī)的多功能數(shù)據(jù)采集卡

摘    要：本文介紹了一種SoC單片機(jī)控制的多功能數(shù)據(jù)采集卡，在輸入通道中增加程控濾波、程控增益放大器和多級(jí)陷波電路，采集卡的功能選擇和參數(shù)改變均由SoC單片機(jī)軟件控制。本文給出了關(guān)鍵部分的電路圖、元件參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：SoC 單片機(jī)；程控放大；程控陷波

引言
目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集卡并不能適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)或像野外那樣存在多種噪聲干擾的使用環(huán)境，特別是對(duì)50Hz工頻干擾及其諧波干擾無法起到抑制作用。在這種情況下，采集到的數(shù)據(jù)往往有很多錯(cuò)誤或者采集卡無法正常工作。
本數(shù)據(jù)采集卡與以往數(shù)據(jù)采集卡相比增加了諸多功能。采用與以往數(shù)據(jù)采集卡不同的結(jié)構(gòu)：給輸入通道增加了程控濾波環(huán)節(jié)，即前置濾波器的中心頻率及50Hz工頻及其諧波頻率陷波器的選擇都采用單片機(jī)軟件控制，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行選擇，以適應(yīng)不同環(huán)境。同時(shí)本采集卡運(yùn)用SoC設(shè)計(jì)思想，使用Cygnal公司新推出的C8051Fxxx高速單片機(jī)，在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換。這樣既減小了硬件開銷又縮短了數(shù)據(jù)傳送距離，還能進(jìn)一步抗干擾，而且不用更改硬件電路，就可對(duì)采集卡的功能進(jìn)行更改或擴(kuò)展。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
多功能數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
采集卡共用八個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)輸入通道都具有獨(dú)立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級(jí)陷波器。其中每個(gè)帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個(gè)濾波器是否需要接入電路也可由單片機(jī)控制。程控增益放大器的放大倍數(shù)可由單片機(jī)分檔控制。模擬信號(hào)經(jīng)過濾波、放大電路后，在進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前需經(jīng)過多級(jí)陷波器以消除50Hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級(jí)數(shù)也可由單片機(jī)根據(jù)使用環(huán)境選擇。采集卡的控制核心是SoC單片機(jī)C8051F020，其內(nèi)部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8選1模擬多路選擇器。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過EPP接口送到上位機(jī)。
程控濾波器原理及電路
本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級(jí)相同的濾波器級(jí)聯(lián)而成，每級(jí)由三個(gè)高精度、低失調(diào)、低噪聲運(yùn)放OP07和兩個(gè)12位電流輸出DAC AD7533構(gòu)成。將AD7533的Iout2引腳接地，則其Vref和Iout1兩個(gè)引腳之間等效為一個(gè)受DATA9~DATA0控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，等效電阻為：，其中R為DAC芯片電阻網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)等效電阻值，對(duì)于AD7533為10kW；n為DAC的位數(shù)，對(duì)于AD7533，n=12；D為DATA9~DATA0對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當(dāng)取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW時(shí)，中心頻率

用SoC單片機(jī)的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通過改變DATA0~DATA9的數(shù)值改變REQ，進(jìn)而改變?yōu)V波器的中心頻率。
將兩級(jí)電路級(jí)聯(lián)起來，構(gòu)成圖2中的完整電路，可以進(jìn)一步提高品質(zhì)因數(shù)。表1中列出了D取不同值時(shí)，實(shí)際測(cè)得的中心頻率和-3dB處的頻率，反映出該電路不但可以高精度地控制中心頻率，而且具有很高的Q值。
陷波器電路
50Hz交流電干擾是數(shù)據(jù)采集中不可避免的嚴(yán)重問題，采集電路中必須設(shè)置50Hz陷波器，將以差模形式串入的50Hz及其諧波濾除。
圖3為二階雙T型50Hz陷波器電路，陷波深度-40dB以上，Q值約為3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C時(shí)，陷波器的中心頻率為：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF時(shí)，中心頻率為50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF時(shí)，中心頻率為150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF時(shí)，中心頻率為250Hz。這樣就構(gòu)成三級(jí)陷波器，每級(jí)陷波器又受一單刀雙擲模擬開關(guān)ADG419控制，SoC單片機(jī)可選擇將哪一級(jí)或哪幾級(jí)陷波器接入電路。該電路經(jīng)過測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用，證明對(duì)50Hz及其諧波具有極好的抑制能力。
程控增益放大器
程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器PGA202，它具有較高的共模抑制比(增益為1時(shí)，CMRR優(yōu)于80dB)，單位增益帶寬為1MHz。其可編程增益有