專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低成本微功耗的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種低成本微功耗的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在許多工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域，比較典型的應(yīng)用模式仍是采用各種傳感器來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的各種物理量(如壓力、溫度、濕度等)，傳感器將這些被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為微小的電信號(hào)(一般為電壓信號(hào))。這些電信號(hào)一般都是模擬信號(hào)，且 信號(hào)幅度一般都很微小，往往還包含有不需要的頻率成分(如來(lái)自于干擾源)，一般不能直接使用。需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理后，把這些模擬信號(hào)變換為合適的信號(hào)形式，使其適用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。隨后，由ADC將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器(MCU)，由微控制器將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中，以便用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理或隨后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端。綜上可見(jiàn)，要完成現(xiàn)場(chǎng)各種信息(如壓力、溫度、濕度等)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了使該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間、以較高精度采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行綜合的一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)將功耗、精度、成本等因素綜合考慮，形成一套完整的解決方案。常規(guī)的數(shù)據(jù)采集模塊通常包含在特定的工業(yè)測(cè)控儀器設(shè)備內(nèi)部，往往是針對(duì)特定的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)，專(zhuān)用性強(qiáng)，成本較高。市面上針對(duì)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)的微功耗低成本的通用型數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品很少見(jiàn)，尤其是能夠同時(shí)完成信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、能夠以較高精度(如12位以上)進(jìn)行多通道采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)具有微功耗特色的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品基本上還是一個(gè)空白。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種物理量(如壓力、溫度、濕度等)信息進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采集和存儲(chǔ)，本發(fā)明提出了一種低成本、微功耗、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一體化解決方案，能夠在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)以較高精度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。本發(fā)明中包括了信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和電源模塊等的具體設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種低成本微功耗的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器、電源模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路及電壓基準(zhǔn)電路；選用具有同相輸入差分結(jié)構(gòu)的儀表級(jí)放大器INA122作為信號(hào)放大電路；信號(hào)放大電路中需在Ref引腳接入I個(gè)I. 25V的電壓基準(zhǔn)信號(hào)，使信號(hào)放大后的實(shí)際有效范圍為
O I. 25V和I. 25 2. 5V ；INA122的I腳和8腳之間連接了一個(gè)IK Ω電阻和一個(gè)IOK Ω可調(diào)電阻，使得INA122的信號(hào)放大倍數(shù)G在一定范圍內(nèi)可調(diào)；濾波電路采用巴特沃斯型的二階低通濾波電路；采用TI公司的LM385-1. 2微功耗電壓基準(zhǔn)芯片構(gòu)成所述的電壓基準(zhǔn)電路，為整個(gè)系統(tǒng)提供I. 25V的基準(zhǔn)電壓；所述微控制器為T(mén)I公司的MSP430F149芯片；所述MSP430F149內(nèi)部集成有多通道、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，能提供8通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為ATMEL公司的32兆位FLASH存儲(chǔ)器AT45DB321B。本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于微功耗、微型化、高精度的原則設(shè)計(jì)，采用電池供電，體積小，可便攜，能夠同時(shí)采集8通道的數(shù)據(jù)，采樣精度可達(dá)12位，采樣速率可達(dá)200kbit/s，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 靜態(tài)電流低于2毫安，平均電流低于10毫安，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到32兆位。


圖I為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為信號(hào)調(diào)理模塊的電路圖；圖3為MSP430F149與AT45DB321B的電路連接示意圖；圖4為數(shù)據(jù)采集程序的流程圖；圖5為AT45DB321B頁(yè)面寫(xiě)子程序的流程圖；圖6為電源模塊的電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。微功耗和較高的數(shù)據(jù)采集精度是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先考慮的兩個(gè)核心問(wèn)題，同時(shí)還要考慮實(shí)際成本和系統(tǒng)體積的要求。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)使用性要求其電流消耗盡可能小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間。因此，微功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它不僅能降低系統(tǒng)功耗，還使系統(tǒng)具有較低的電磁輻射和較高的可靠性。如圖I所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器、電源模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，信號(hào)調(diào)理模塊完成對(duì)被測(cè)物理量多路信號(hào)的放大、濾波及整形，將這些經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A//D轉(zhuǎn)換變化為數(shù)字信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)精度不僅直接取決于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換模塊的性能，還與信號(hào)調(diào)理模塊、電源模塊密切相關(guān)，因此應(yīng)綜合考慮各部分的性能要求，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，必須在模擬電路部分能輸出質(zhì)量較高的模擬信號(hào)前提下，具有較高的采樣精度和足夠的采樣速率(保證信號(hào)能不失真地回放)；具有多通道信號(hào)采集能力；配合基于中斷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)程序，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間采集及存儲(chǔ)。信號(hào)調(diào)理模塊如圖2所示，信號(hào)調(diào)理模塊的作用是將傳感器輸出的微弱電信號(hào)(通常為電壓信號(hào))不失真地放大或調(diào)整到能夠直接由A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣的幅度足夠的電信號(hào)。且信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)其前級(jí)的傳感器和后級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的影響要盡可能的小。信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路及電壓基準(zhǔn)電路，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的緩沖、放大、整形及濾波等功能。為有效放大傳感器輸出的有用差分信號(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊中的信號(hào)放大電路應(yīng)具有較強(qiáng)的共模抑制和差動(dòng)放大能力，實(shí)際共模抑制比高，輸入阻抗較大，失調(diào)和溫漂較小，這些都能有效減小信號(hào)放大電路對(duì)傳感器輸入信號(hào)的影響，減少溫度誤差。同時(shí)信號(hào)調(diào)理模塊中的濾波電路應(yīng)采用同相結(jié)構(gòu)的精密運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)組成有源濾波電路，這樣既能提供一定的增益和緩沖作用，又可以減小對(duì)后級(jí)尤其是A/D轉(zhuǎn)換的影響。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)具有低成本、微功耗、微型化等特點(diǎn)，能夠在單電源下工作，其信號(hào)放大范圍要與A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的信號(hào)幅度相一致。信號(hào)放大電路信號(hào)調(diào)理模塊中的信號(hào)放大電路必須滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求具有較強(qiáng)的共模抑制和差動(dòng)放大能力，實(shí)際共模抑制比高，輸入阻抗較大，失調(diào)和溫漂較小，微功耗，外圍元器件少，體積小，能夠在單電源下工作。一般來(lái)說(shuō)，基于同相輸入的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償以及輸出不包含共模信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。但是基于精密運(yùn)放搭建的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路，運(yùn)放之間的互相補(bǔ)償難度較大，且補(bǔ)償精度不易控制，電阻不易精確匹配，增大了電路安裝和調(diào)試的工作量和難度，同時(shí)也對(duì)降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)集成度不利。 本模塊中選用了具有同相輸入差分結(jié)構(gòu)的儀表級(jí)放大器INA122作為信號(hào)放大電路。INA122的最大共模輸入電壓可達(dá)到3.4V，具有高共模抑制比(96db)、高輸入阻抗(1010 Ω)、低失調(diào)電壓(100 μ V)、低輸入偏置電流(IOnA)和低溫漂(I μ A/°C )。INA122是專(zhuān)為便攜式、基于電池供電的微功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有很低的靜態(tài)電流(< 60μ A)和較寬的電源范圍(2. 2V 36V)。其增益可通過(guò)一個(gè)高精度外接電阻設(shè)置出5 10000倍的放大能力。如圖2所示，ΙΝΑ122的Ref引腳是參考電壓輸入端。如本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的下限電壓是0V，上限電壓是2. 5V，故信號(hào)放大電路中需在Rrf引腳接入I個(gè)I. 25V的電壓基準(zhǔn)信號(hào)，使信號(hào)放大后的實(shí)際有效范圍為O I. 25V(負(fù)信號(hào))和I. 25 2. 5V(正信號(hào))。如圖2所示，INA122芯片的I腳和8腳之間連接了一個(gè)1ΚΩ電阻(Rgl)和一個(gè)IOK Ω可調(diào)電阻(Rg2)，使得INA122的信號(hào)放大倍數(shù)G在一定范圍內(nèi)可調(diào)。作為信號(hào)調(diào)理模塊的一個(gè)組成部分，信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)G與其前級(jí)的傳感器的靈敏度、后級(jí)的濾波電路的通帶增益密切相關(guān)。傳感器輸出的微小電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路及濾波電路兩級(jí)放大后，可達(dá)到后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換的要求。因此在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊的過(guò)程中，可以由公式(2-1)來(lái)確定G的取值范圍。
_經(jīng)放大后信號(hào)的滿(mǎn)量程范圍_ (H)
_ ￥測(cè)物理量范圍X傳感器靈敏度X濾波電路的通帶增益INA122的信號(hào)放大倍數(shù)G的取值范圍確定后，可根據(jù)公式(2_2)確定Rgl和Rg2的數(shù)值。G = 5+ 200k(2-2)
%1 + 奴2如圖2所示，由于Rgl是一個(gè)1ΚΩ的定值電阻，Rg2是一個(gè)IOKΩ可調(diào)電阻，故G在23 205倍的范圍之間連續(xù)可調(diào)。此信號(hào)放大電路的輸出電壓Vqut可以由公式(2-3)計(jì)算Vout = (V1I -F^)XG(2—3)濾波電路傳感器的輸出信號(hào)一般均為低頻微弱信號(hào)，頻帶較窄，很容易受到外界干擾和噪聲的影響。為了濾除放大電路輸出信號(hào)中的無(wú)用頻率成分，通常需要在信號(hào)放大電路后面加一個(gè)低通濾波電路，其截止頻率由被測(cè)物理信號(hào)的頻率范圍決定。此低通濾波電路可以在采樣之前預(yù)先濾除信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的部分以消除混疊，可保證對(duì)被測(cè)物理信號(hào)不會(huì)欠采樣。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，本模塊中采用精密運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)組成了有源低通濾波電路。與無(wú)源濾波電路相比，有源濾波電路不用電感元件，避免了電感固有的非線(xiàn)性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積大等缺點(diǎn)，同時(shí)也有效避免了電感元件造成的額外功耗。而且由于運(yùn)放的增益和輸入阻抗較高，輸出阻抗較低，有源濾波電路還能提供一定的增益和緩沖作用。有源濾波電路由于輸出阻抗較小，因漏電流引入的A/D轉(zhuǎn)換誤差能大大減小。
如圖2所示，本信號(hào)調(diào)理模塊中，選用了巴特沃斯型的二階低通濾波電路，其在阻帶內(nèi)能提供_40db/十倍頻程的衰減。巴特沃斯型濾波電路的平坦區(qū)較大，其通帶內(nèi)沒(méi)有紋波，而且相頻特性在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線(xiàn)性的。圖2中REF1. 25代表電壓基準(zhǔn)電路提供的I. 25V參考電壓。濾波電路中具體R、C參數(shù)的確定可采用查表歸一設(shè)計(jì)方法。歸一化設(shè)計(jì)時(shí)，歸一 化系數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種低成本微功耗的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器、電源模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路及電壓基準(zhǔn)電路；選用具有同相輸入差分結(jié)構(gòu)的儀表級(jí)放大器INA122作為信號(hào)放大電路；信號(hào)放大電路中需在Ref引腳接入I個(gè)I. 25V的電壓基準(zhǔn)信號(hào)，使信號(hào)放大后的實(shí)際有效范圍為O I. 25V和I. 25 2. 5V ；INA122的I腳和8腳之間連接了一個(gè)IKQ電阻和一個(gè)IOKQ可調(diào)電阻，使得INA122的信號(hào)放大倍數(shù)G在一定范圍內(nèi)可調(diào)；濾波電路采用巴特沃斯型的二階低通濾波電路；采用TI公司的LM385-1. 2微功耗電壓基準(zhǔn)芯片構(gòu)成所述的電壓基準(zhǔn)電路，為整個(gè)系統(tǒng)提供I. 25V的基準(zhǔn)電壓；所述微控制器為T(mén)I公司的MSP430F149芯片；所述MSP430F149內(nèi)部集成有多通道、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，能提供8通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為ATMEL公司的32兆位FLASH存儲(chǔ)器AT45DB321B。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低成本微功耗的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器、電源模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路及電壓基準(zhǔn)電路；本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于微功耗、微型化、高精度的原則設(shè)計(jì)，采用電池供電，體積小，可便攜，能夠同時(shí)采集8通道的數(shù)據(jù)，采樣精度可達(dá)12位，采樣速率可達(dá)200k bit/s，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)電流低于2毫安，平均電流低于10毫安，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到32兆位。
文檔編號(hào)G05B19/042GK102778855SQ20121028627
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者盧虹冰, 常小紅, 廖琪梅, 張國(guó)鵬, 焦純, 見(jiàn)偉平, 霍旭陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)