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基于AD7606的多通道数据采集系统.pdf

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.91M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    武汉理工大学 2017-2018 学年 第 1 学期 《集成电路原理及应用》课程论文任务书 班级： 通信 1501 姓名： 学号： 题目： 基于 AD7606 的多通道数据采集系统的设计与实现 要求： 一、论文提纲 论文应包含以下几个部分：封面（自行设计）、文章标题，作者姓名，作者 单位（学校、专业、班级全称），中文摘要，英文摘要，正文，参考文献等。 二、论文格式要求 1、[摘要]（以摘录或缩编方式复述文章的主要内容）：50～300 字； 2、[关键词]（选用可表达文章主要内容的词或词组）：3～8 个关键词； 3、[标题]：论文题目十分重要，必须用心斟酌选定。（1）准确得体，论文 题目能准确表达论文内容，恰当反映所研究的范围和深度。（2）简短精炼，力求 题目的字数要少，用词需要精选，一般不超出 20 个字。（3）外延和内涵要恰如 其分。 4、[正文]： （1）论文正文篇幅一般在 5000-10000 字不等，包括简短引言、论述分析、 结果和结论等内容。文字太少就不能充分展开论述。（2）文中出现的外文缩写， 除公知公用的，首次出现一律应标有中文翻译或外文全称。（3）文中图、表应有 自明性，且随文出现。（4）图中文字、符号必须写清，所有出现的数值都应标有 明确的量与单位。（5）文中表格一律采用“三线表”。（6）文中有关量与单位必 须符合国家标准和国际标准，用单个斜体外文字母表示。 （7）正文章节编号 采用三级标题顶格排序。一级标题形如 1，2，3，…排序；二级标题形如 1.1， 1.2，1.3，…排序；三级标题形如 1.1.1，1.1.2，1.1.3，…排序；引言不必排 序。 5、[参考文献]： 参考文献主要有专著（M），论文集（C），报纸文集（N），期刊文章（J），学 位论文（D），报告（R），标准（S），专利（P），其他未说明文章（Z）等。参考文 献如为专著，所列项目包括：作者姓名.书名.版本.出版地：出版者，出版年； 参考文献如为期刊，所列项目包括：作者姓名.版本.年.月.卷(期)～年.月.卷 (期).出版地：出版者，出版年；参考文献如为电子文献，所列项目包括：作者
    姓名.电子文献题名.文献出处或网址，发表或更新日期.。 三、 论文撰写内容参考 反映集成电路课程讲授基本内容及相关芯片应用实际，进行实际系统分析及 应用研究。可从以下方面展开论述： 1、综述类。介绍集成电路的发展及现状，包括模拟集成电路、数字集成电 路及模数混合集成电路的发展、现状及应用。 2、实际应用设计分析类。结合具体芯片进行系统设计分析，包括软件设计 仿真；硬件设计及芯片选型。重点体现集成芯片的功能应用。可选基本 应用范围包括但不限于：模拟集成电路的线性及非线性应用；集成变换 器集成应用；集成信号发生器；集成有源滤波器；集成稳压电源；语音 和图像集成电路；数字集成电路及应用；嵌入式系统及应用；FPGA 系统 及应用；DSP 集成电路及应用等 3、 展望类，主要对未来集成电路的发展应用及新技术进行研究。 四、论文提交 1、提交成果：任务书、封面、论文、论文评阅标准、论文评阅表（填写好 个人信息及论点、论据、论证部分），将文件按顺序装订整齐。 2、提交时间：第十三周周五前提交。 五、注意事项 1、论文如出现抄袭或出现雷同论文，老师将不再通知作者本人，成绩直接 按 0 分计。（抄袭的界定是同学所提交的论文的查重率不得超过 70%；雷同论文 的界定是指同学提交的论文的相似度超过 60%） 2、提交的课程论文原则上要求手写，交打印稿的同学，已班级为单位将电 子档文档压缩后发指导老师 QQ 邮箱。 3、课程论文评阅表的论点、论据、论证部分由学生根据自己论文内容填写，。提交的 论文请同学们将自己论文的全部信息填写完整，只留下教师参考“课程论文评阅标准”进行 评阅打分的部分内容
    武汉理工大学 《集成电路原理及应用》课程论文 题目：基于 AD7606 的多通道数据采集系统 的设计与实现 姓 名：XXX 学 院：信息工程学院 班 级：通信 1501 学 号： 选课老师：刘可文 2017 年 12 月 1 日
    基于 AD7606 的多通道数据采集系统 的设计与实现 作者：XXX 单位：武汉理工大学信息工程学院通信 1501 班 摘要：针对 STM32F10 系列单片机芯片内部 ADC(模数转换器)模块的分辨度低以及不 能对多路信号进行同步采样的问题，设计了一种基于 AD7606 的多通道数据采集系统。详细 介绍了 16 位、8 通道模数转换器 AD7606 的工作原理及数字接口，并以此为基础设计了以 单片机为核心器件设计了 AD7606 的驱动程序。该系统可将采集到的数据显示在 LCD 上， 也可通过串口总线实现与计算机之间的通信。测试结构表明：与 STM32F10 系列芯片内部 ADC 模块进行模数转换的结果相比，采用 AD7606 进行模数转换的结果精度高、误差小， 适用于精度要求较高的场合。 关键词：AD7606；多通道；数据采集系统；同步采样；串口通信 Abstract：Aiming at the problem of low resolution of ADC module inside STM32F10 series MCU chip and the problem that the multi-channel signal can not be sampled synchronously, a multi- channel data acquisition system based on AD7606 is designed. Described in detail 16-bit, 8-channel AD7606 analog-digital converter working principle and digital interface, and as a basis for the design of a microcontroller as the core device designed AD7606 driver. The system can collect the data displayed on the LCD, but also through the serial bus to achieve communication with the PC. Test structure shows that: Compared with the result of A / D conversion of internal ADC module of STM32F10 series chip, AD7606 performs analog-to-digital conversion with high precision and small error, which is suitable for occasions with high precision requirements. Keyword：AD7606; Multi-Channel; Data Acquisition; simultaneous sampling; Serial communication
    0 引言 数据采集技术主要研究信号数据的采集、存储、处理以及控制问题，数据采集技术在工 业应用中极为广泛。且在多通道电流与电压监测系统中，需要对电流和电压参数进行同步采 样，单片机芯片 STM32F103RCT6(以下称单片机)自带的 AD 模块已经不能满足数据采集要 求。AD7606 是一款完全集成的多通道数据采集解决方案，极大地简化了电路的设计。AD7606 采用 5V 单电源供电，可以实现 16 位的性能，在高噪声点电源条件下也能保持这一性能。 AD7606 提供并行接口、高速串行接口和并行字节接口 3 种接口方式。 本文以 STM32 单片机为控制核心设计了多通道数据采集系统，通过 SPI 协议与 AD7606 连接，实现数据同步采集功能；该系统通过串口与计算机连接，实现数据通信的功能，并对 单片机自带的 AD 转换模块和 AD7606 电路模块进行性能分析。 1 系统构成与硬件设计 1.1 AD7606 硬件介绍 AD7606 是 ADI 公司推出的 16 位、8 通道、同步采样、双极性输入的模数转换器。器 件内置模拟输入钳位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16 位电荷再分配逐次比 较型 ADC、灵活的数字滤波器、2.5V 基准电压源基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。 AD7606 采用 5V 单电源供电，可以处理±10V 和±5V 双极性输入信号，同时所有通道 均能以高达 200kSPS 的吞吐速率采样。无论以何种采样频率工作，AD7606 的模拟输入阻抗 均为 1MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大 器和外部双极性电源。AD7606 抗混叠滤波器的 3dB 截止频率位 22kHz；当采样速率为 200kSPS 时，它具有 40dB 抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信 噪比(SNR)，并降低 3dB 带宽。 图 1- 1 模拟输入电路 AD7606 的模拟输入电路如图 1-1 所示，其各路模拟输入均含有钳位保护电路，尽管采 用 5V 单电源供电，但模拟输入钳位保护允许输入过压达到±16.5V。 AD7606 的模拟输入阻抗为 1MΩ。这是固定输入阻抗，不随 AD7606 采样频率而发生 变化。高模拟输入阻抗可免除 AD7606 前端的驱动放大器，允许其与信号源或传感器直接相 连。由于无需驱动放大器，因此可去掉信号链中的双极性电源（它通常是系统中的噪声源）。
    1.2 AD7606 引脚配置与数字接口 1.2.1 引脚配置 AVCC 模拟电源电压，4.75V 至 5.25V，引脚去耦至 AGND。 VDRIVE 逻辑电源电压，此引脚的电压（2.3V 至 5.25V）决定逻辑接口的工作电压。 RESET 复位输入，当设置为逻辑高电平时，RESET 上升沿复位 AD7606，复位的高脉 冲宽度典型值为 50ns。 CS 片选引脚，在串行模式下，利用 CS 使能串行数据帧传输，并逐个输出串行输出数 据的最高有效位(MSB)。 CONVST 当两个 CONVST 引脚(CONVST A 和 CONVST B)连在一起时，可以对所有模 拟通道进行同步采样。 BUSY 输出繁忙，CONVST A 和 CONVST B 均达到上升沿之后，此引脚变为逻辑高电 平，表示转换过程已开始。BUSY 输出保持高电平，直到所有通道的转换过程为止。BUSY 下降沿表示转换数据正被锁存至输出数据寄存器，经过时间 t4 之后便可供读取。在 BUSY 为 高电平时执行的数据读取操作应当在 BUSY 下降沿之前完成。当 BUSY 信号为高电平时， CONVST A 和 CONVST B 的上升沿不起作用。 RANGE 模拟输入范围选择。该引脚的逻辑电平决定所有模拟输入通道的模拟输入电压。 该引脚为高电平时，则所有通道的模拟输入范围为±10V; 该引脚为低电平时，则所有通道 的模拟输入范围为±5V。此引脚的逻辑状态改变会立即影响模拟输入范围，除正常采集时 间要求外，还有典型值约为 80μs 的建立时间要求。 OS[2:0]过采样模式引脚，用于控制 AD7606 内置数字滤波器，OS2 为 MSB 控制位， OS0 为 LSB 控制位。 1.2.2 数字接口 AD7606 提供三种接口选项：并行接口、高速串行接口和并行字节接口。所需接口模式 可通过 PAR/SER/BYTE SEL 和 DB15/BYTE SEL 引脚来选择。 PAR/SER/BYTE SEL 引脚为低电平时选择并行接口，该引脚为高电平时选择串行接口， 若该引脚和 DB15/BYTE SEL 引脚均为高电平，即为并行字节接口模式。 AD7606 与单片机的接口电路如图 1-2 所示。系统采用串行接口模式，CS 为片选信号， SCLK 引脚用作串行时钟输入，可仅用 DOUTA 逐个输出数据，此时应将引脚 DB[15:9]和 DB[6:0]接地。 图 1- 2 AD7606 与单片机的接口电路
    1.3 系统构成 本系统的组成框图如图 1-2 所示，AD7606 模块电路对多路模拟信号进行数据采集，通 过 SPI 通信协议将数据传送给单片机，单片机对收到的数据进行算术平均滤波之后，将处 理过的数据显示在 LCD 显示屏上，并通过串口通信将数据传输到计算机上。 图 1- 3 系统组成框图 2 软件程序设计 2.1 AD7606 工作时序图 串行接口模式下，可通过单或双 DOUT 线路从 AD7606 回读数据。对于 AD7606，通道 V1 至 V4 的转换结果首先出现在 DOUTA 上，通道 V5 至 V8 的转换结果首先出现在 DOUTB 上。在 CS 下降沿数据输出线路 DOUTA 和 DOUTB 脱离三态，并逐个输出转换结果的 MSB。 SCLK 上升沿将随后的所有数据位逐个送至串行数据输出 DOUTA 和 DOUTB。如图 2-1 所示 为采用双 DOUT 线路在 AD7606 上读取八个同步转换结果。此种情况下，使用 64 个 SCLK 周 期来访问 AD7606 的数据，且 CS 保持低电平。 图 2- 1 采用双 DOUT 线路的 AD7606 串行接口 本系统为节省 GPIO，采用单路 DOUTA 线进行数据输出，且通道数据以升序输出。相对 双路 DOUTA 线，总共需要 128 个 SCLK 周期。 2.2 系统流程图 本系统的软件流程图如图 2-2 所示，由主程序流程图和中断程序流程图两部分组成。 在主程序中，首先初始化 AD7606 和定时器中断，然后设置模拟输入范围和采样频 率，之后复位并启动 AD7606，使能定时器中断。在中断程序中，逐个读取各通道中的数 据，存储队列的计数值加 1，直至存储队列填满，采样完成。主程序中对采集到的数据进 行数字滤波，最后打印在 LCD 显示屏上并传输数据到计算机。
    图 2- 2 系统软件流程图 2.3 SPI 通信协议 SPI 是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是 Freescale 首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、 A/D 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI 是一种高速的、全双工、 同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用 4 根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的 布局上节省空间提供方便。 SPI 接口一般使用 4 条线通信： MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。 MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。 SCLK 时钟信号，由主设备产生。 CS 从设备片选信号，由主设备控制。 SPI 主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频 率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等等。 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和 相位可以进行配置，时钟机型（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行 同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟 相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1， 在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外 设备时钟相位和极性应该一致。 本系统使用 STM32 的 SPI 接口与 AD7606 进行通信以读取数模转化器的数据。
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