基于AD7609的高精度数据采集系统.pdf

2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application710 引 言作为一种将模拟量转化为数字量的手段，数据采集在自动控制、自动检测、电子测量等自动化、智能化系统中被广泛应用，它是基于计算机实现不同工作过程的基础1。在目前的发展阶段，各个产业的发展都涉及到大量的数据处理，新的发展要求不能仅仅依靠传统的数据采集系统来满足，还要将先进的数据采集设备和技术运用到实际工作中，这对于优化数据采集结果、提高工作效率、促进行业更好地发展等众多方面都具有重要意义2。韩宾等人3设计了以 FPGA 和STM32 架构为数据处理和控制核心的数据采集系统，实现了16 路高精度数据的实时处理和采集功能，采样频率可调，满足了精密产品所需的多通道、高精度和实时数据采集功能。但是使用 FPGA 控制模块的成本过高，不能满足更多的使用场景。寇剑菊等人4设计了基于 AT89S52 和 AD7865 构成的四通道并行数据采集系统，但是 AD7865 是 14 位四路采集芯片，其精度和通道数量都有所限制，所以适用范围较小。徐国明等人5利用 AD7606 设计了一种数字多功能表，信号采集部分使用了高性能 ADC，为了保证整个测量段的数据精度，电流线路使用了有源补偿方式，确保系统能够以最高 30 MHz 的时钟速率工作。司云朴等人6使用 STM32 配合 AD7609 芯片设计了组合称重装置，AD7609 的 8 个通道可以同时采样，且均使用差分输入，每个通道的采样速率为 20 KSPS。整个系统运行速度快、精度高。常见的数据采集系统大多以 DSP 或者 FPGA 配合 12 位的 AD 芯片进行数据采集，已经可以满足大多数行业的使用，对于一些要求速度高、精度高的行业，常见的采集系统显然不能满足其要求7。本文设计了一种以 STM32F407ZET6 和 AD7609 为核心，包含 8 个 18 位采集通道的数据采集系统，在配备电池模块和存储模块的同时，将控制部分和采集部分采用模块化设计，让用户轻松离线使用，不用固定电源，丰富使用场景。整个系统属于实用性强、成本低、推广前景好的多通道、高精度、高智能化数据采集装置。1 总体设计数据采集系统的整体设计方案如图 1 所示。为了方便用户使用，将控制部分和采集部分采用模块化设计，设计了一块底板将两个模块安装在上面。控制模块主要是由STM32 及其外围电路构成，同时引出 4 个串口和 2 路 CAN总线，方便与其他模块搭配使用，提高了多场景的适用性。AD7609 配合其外围电路构成了采集模块，同时在底板上设计了供电系统和 SD 卡存储模块，方便离线操作的同时还能保存采集的数据。图 1 整体设计方案信号输入接口完成采集装置与外部模拟信号的电气连接，通过 AD7609 完成模拟信号到数字信号的转换，基准电压电路提供 AD 转换的基准电压，STM32 完成 AD 转换的控基于 AD7609 的高精度数据采集系统潘绍明，王 浩，尚会增，尹梦碟（广西科技大学 自动化学院，广西 柳州 545006）摘 要：为了满足自动检测和电子测量等智能化系统的数据采集需求，设计了一种以 STM32F407 为控制平台、以 AD7609 为核心的高精度多通道数据采集系统。该系统包含采集、控制、存储和电源 4 个模块，可以实现实时和离线数据采集两种功能。其中，通过串口连接计算机可以实现实时采集功能，通过系统内置的电源模块供电，配合 SD 卡存储模块能够实现离线采集功能。采集模块使用 18 位高精度 8 路同步采样芯片 AD7609，控制模块使用STM32F407 实现对采集模块和存储模块的控制。系统设计了多路串口和 CAN 总线接口，便于扩展其他模块。使用该采集系统对 5 V 恒压直流电源进行测量，系统的误差在 0.2%以下。实验结果表明，该系统能够满足设计需求，拥有良好的性能指标。关键词：STM32；AD7609；数据采集；AD 采样；硬件电路；离线采集中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0071-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.018收稿日期：2022-11-07 修回日期：2022-12-05物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application72制、转换结果的处理以及与其他系统的通信控制。数据储存模块使用的是 SD 卡，用来储存采集的数据。本系统的 AD 采集芯片使用的是 ADI 公司的 AD7609 芯片，该芯片是一款高速高精度的模数转换器，拥有 8 个 18 位 的采集通道，所有通道最高可有 200 KSPS 的吞吐量8-10。芯片采用 5 V 单电源为系统供电。AD7609 可以选择 5V 或者 10 V 的输入电压，两种模式都可以处理真双极性输入电压。为了允许 AD7609 与输入信号直接相连，不使用前端驱动放大器，芯片内部的模拟输入阻抗固定为 1 M，与采样的频率没有任何关系。芯片内部配备了模拟输入钳位保护电路，允许输入最大电压达到 16.5 V。因为芯片内部配备了采样保持放大器，可以使用 ADC 18 位分辨率来采集满量程的正弦波。在基准电压方面，AD7609 提供两种选择模式，既可以使用内部提供的 2.5 V 基准电压，又可以使用外部基准电压源。需要注意的是，在使用外部基准电压源的时候需要采样一个 100 nF 的电容对 REFIN/REFOUT 引脚去耦，在使用内部基准电压源的时候则需要用 10 F 的陶瓷电容。在数字接口方面AD7609提供了并行接口和串行接口两种选项，可以通过 PAR/SER SEL 引脚来选择需要的接口模式。为了可以在较低的采样速率下或者在高信噪比的情况下使用，AD7609 内部配备了一个灵活的数字一阶 sinc 滤波器。AD7609 的功能框图如图 2 所示，下面对相关引脚进行简单介绍。图 2 AD7609 功能框图REF SELECT 引脚用于系统选择使用内部基准电压还是外部基准电压输入。如果系统选择使用内部基准电压，可将此引脚设置为逻辑高电平，内部基准电压由 AD7609 自身产生并使用。如果系统需要使用外部基准电压，可将此引脚设置为逻辑低电平，内部基准电压将会被禁用，同时还需要将外部基准电压输入到 REFIN/REFOUT 引脚。RANGE 引脚是用来选择整个系统模拟通道输入量程范围的。整个系统的量程范围有 5 V 和 10 V 两种可选。如果需要系统模拟通道输入范围都为 5 V，那么就需要将此引脚设置为逻辑低电平。如果需要系统模拟通道输入范围都为 10 V，那么就需要将此引脚设置为逻辑高电平。PAR/SER SEL 引脚用于选择系统的数据接口是并行输入还是串行输入。如果需要系统所有通道并行输入，那么就需要将此引脚设置为逻辑低电平。如果需要系统所有通道是串行输入，那么就需要将此引脚设置为逻辑高电平。CONVST A 引脚和 CONVST B 引脚可以控制模拟输入通道转换，CONVST A 对 V1、V2、V3、V4 的四个通道进行控制启动采样，CONVST B 对 V5、V6、V7、V8 的四个通道进行控制启动采样。如果将 CONVST A 与 CONVST B两个引脚相连，并由二者给出一个转换开始的信号，就可以对八个通道进行同时采样。2 系统硬件设计2.1 AD7609 采集电路设计根据系统的设计需要，系统采用的是并行接口，因此PAR/SER SEL 引脚需要与逻辑低电平相连接。该系统设计的量程为 10 V，因此需要将 RANGE 引脚与逻辑高电平连接起来。该系统为 8 通道同时采集，可将 CONVST A 引脚与CONVST B 引脚短路连接，并施加一个转换启动信号。该系统使用外部基准电压，因此设置 REF SELECT 为逻辑低电平，禁止使用内部参考电压，并在 REFIN/REFOUT 引脚上施加外部基准电压。图 3 为 AD7609 采集电路的原理。2.2 外围电路设计外围电路包括基准电压电路和 SD 卡储存电路。系统的基准电压通过 REF5025 产生。REF5025 是一款噪声低、产生的基准电压精度极高的芯片，输入电压范围最大可达 18 V，输出 2.5 V 电压，工作温度为-55 125，使用场景丰富11-13。电路中 NR 和接地之间的电容用来滤除噪声，电源引脚和接地之间为去耦电容，输入和接地之间的电容对输出进行去耦。储存模块采用大容量 SD 卡，保证数据的写入和读取。为了保证传输速度，对 SD 卡的控制方式采用 6 线制，即通过使用 STM32 对 SD 卡的 CLK、CMD 和 DAT0 DAT3 六个引脚进行控制来实现数据传输。图 4 和图 5 为基准电压电路和 SD 卡储存电路。3 系统软件设计3.1 AD7609 采集电路设计AD7609 采样模块的工作流程如图 6 所示。首先通过STM32 控制模块将 CONVST 引脚电平拉低，启动转换；然后读取 BUSY 引脚的信号，当 BUSY 引脚信号变为低电平时，说明转换完成，系统可以读取采样数据，并触发中断来读取数据。读取数据时，首先使能 CS 信号，然后变换 RD2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application73信号来读取数据。RD 引脚要读取所有 18 位转换结果，一共需要 2 个 RD 脉冲。每个通道的转换结果可以逐个升序输出到并行输出总线 DB15：0，向 RD 引脚施加 16 个脉冲序列。BUSY 变为低电平后，第一次的 RD 脉冲下降沿输出通道 V1的结果 DB17：2，下一次的 RD 脉冲下降沿用通道 V1 的结果 DB1：0 更新总线。整个转换过程需要 16 次 RD 脉冲，能够完整读取 AD7609 的 8 通道 18 位转换及结果。输出通道 V8 的 DB1：0 是 RD 脉冲的第 16 个下降沿的转换结果。每个信道的数据转换结果可以在 RD 信号为逻辑低电平时传送到 STM32 控制模块。图 3 采集电路原理图 4 基准电压电路 图 5 SD 卡储存电路 图 6 AD 转换流程在实际工程中，通过前端传感器出来的信号基本都是模拟信号，而后端 STM32 主控芯片是处理数字信号的，因此需要用到 ADC 进行模数转换。ADC 包括 3 个基本功能：采样、量化和编码。采样过程是离散模拟信号的时间，使其成为采样信号；量化是将采样信号的幅度离散化为数字信号；编码是将数字信号转换为数字系统可以接受的形式。同时，ADC 分辨率越高，所需转换时间越长，转换速度越低。因此，ADC 的分辨率和转换速度总是相互制约的。AD7609 的输出编码方式为二进制补码。所设计的码转换在连续 LSB 整数值的中间（即 1/2LSB、3/2LSB）进行。AD7609 的 LSB 大小为 FSR/262144。AD7609 的 FSR 在10 V 范围内为 40 V，在 5 V 范围内为 20 V。AD7609 在不同量程下输出电压的计算公式如下：CODE=VREFV+VV()()-201310722 5.（1）CODE=VREFV+VV()()-101310722 5.（2）式（1）和式（2）分别为 10 V 和 5 V 范围下的计算公式。CODE 为转换后的二进制码，V+和 V-是电源供电电压，REF 为基准电压。物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application743.2 数据储存模块本系统使用 SD 卡对收集到的数据进行存储，这样可以应对需要大批量采集数据和使用离线采集的工作情况。此系统使用了 FATFS 文件系统模块，如图 7 所示为存储系统的工作流程。首先，初始化 SD 卡，即将 SD 卡的格式转换为FAT32 文件系统格式，从而创建文件，并以 FAT32 格式存储信息。开始初始化是在系统确认 SD 卡与系统正常连接后。整个过程包括：读取原始 FAT 表，发现空间簇并确定起始簇号，重新写入 SD 卡的 FAT 表，读取目录条目信息，向文件信息结构分配文件信息，重新写入 SD 卡目录等。初始化后SD 卡即可读取写入，AD 采样信号启动后对 SD 卡触发写入指令，该命令必须包含一个与 SD 卡的物理地址相对应的写入地址；接收到数据后，SD 卡校验地址，执行 CRC 验证，并发送响应指令。4 实验测试为了验证整个系统设计的稳定性和可行性，使用 Altium Designer 20 设计了系统的电路原理图，并且设计了系统的PCB 文件，制作并焊接了电路板。实验采用 5 V 直流电源模块来测试 8 个通道的电压采集情况。首先，使用万用表测量5 V 电源模块输出电压为 5.08 V，对 5 V 直流电源模块引出8 个并联的 100 电阻；然后将每个电阻的两端接入系统采样通道，使用 Keil uVision 5 配合串口调试助手来检测系统各个通道的采样电压值。实验结果见表 1 所列，CH1 CH8为系统的 8 个通道输出的电压值，随机读取两次 8 个通道的输出值，小数点后保留 10 位，之后计算系统采样值与实际电压值的误差。经过计算平均误差为 0.11%。图 7 数据储存工作流程表 1 采样实验结果通 道输出值/V误 差/%通 道输出值/V误 差/%CH15.086 073 398 60.11CH15.086 462 726 60.12CH25.085 242 271 40.10CH25.085 631 599 40.11CH35.086 073 398 60.11CH35.086 046 924 60.11CH45.086 489 200 60.12CH45.086 878 051 80.13CH55.086 489 200 60.12CH55.087 709 178 90.15CH65.087 735 652 90.15CH65.087 709 178 90.15CH75.086 073 398 60.11CH75.087 709 178 90.15CH85.084 411 144 30.08CH85.086 462 726 60.125 结 语本文设计的数据采集系统充分考虑了性价比和易用性。将高精度 AD 转换芯片 AD7609 与微控制器 STM32F407 相结合。目前 STM32 系列微控制器在市场的占有率非常高，大大降低了采集系统的成本；AD7609 芯片精度高、速度快、外围电路简单，容易与采用STM32搭建的平台进行通信14-15。同时，通过实验检测，系统具有较高的准确性和稳定性。本文设计的数据采集系统在精度和采集速度方面，可以满足大多数工业控制领域对数据采集、离线检测和仪器仪表数据采集的需要，具有非常好的推广前景。参考文献1 郭玉霞，李志杰.基于 ADS1256 和 STM32 的数据采集装置设计 J.无线电工程，2019，49（1）：81-85.2 王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用 J.电测与仪 表，2004，41（8）：4-8.3 韩宾，易志强，江虹，等.一种高精度多通道实时数据采集系统设计 J.仪表技术与传感器，2019，56（9）：42-45.4 寇剑菊，刘旻.一种基于 AD7865 的数据采集系统的设计 J.国外电子元器件，2007，14（9）：37-39.5 徐国明，徐燕明，曹达，等.基于 STM32 与 AD7606 的高精度和快速响应数字多功能表的设计 J.电测与仪表，2015，52（12）：102-107.（下转第78页）物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application78势与实际趋势相同，预测方差为 0.059，准确率约为 93%。以预测加氢机出口压力为实验案例，预测效果如图 4 所示。图 4 加氢机出口压力预测图 4 为加氢机平稳加氢时出口压力数据预测，预测趋势与实际趋势相同，预测方差为 0.1，准确率约为 86%。由此可知，采用 ARIMA 模型预测设备运行数据效果良好且预测速度快，满足实时预测要求。3 结 语本文提出一种从设备数据采集、数据处理、数据存储、分析预测到应用的氢能智慧平台，同时将 ARIMA 模型算法应用于加氢站各类设备运行数据实时预测中，有效地解决了企业管理旗下加氢站的诸多问题，发掘运营数据商业价值，助力氢能应用发展。注：本文通讯作者为汪方。参考文献1 王明华.氢能产业发展之困局“源”与“汇”J.现代化工，2022，42（9）：1-6.2 汤晓栋，鞠晨，张浩.加氢站运营管理云服务平台的设计与实现 J.交通与运输，2021，37（1）：66-70.3 李春彬.基于 Spark 的公路管理和预警平台的设计与实现 D.南昌：南昌大学，2021.4 刘峻，赵汪，高学强，等.全球加氢站产业、技术及标准进展综述 J.太阳能学报，2022，43（6）：362-372.5 中国技术经济学会.加氢站站控系统技术要求：T/CSTE 00122019 S.广东：出版者不详，2019.6 赵创业，唐亮亮，郭威，等.基于 Ansible 和 Flume 的海量数据自动化采集系统 J.电子设计工程，2020，28（3）：47-51.7 朱永波.大数据集成开发平台的研究与实现 D.北京：北京邮电大学，2021.8车思阳.基于Kafka的大容量实时预警数据汇集分发技术研究D.成都：电子科技大学，2021.9 姚军，管米利，乔帆.基于 Spark 的煤矿安全预警系统 J.现代电子技术，2022，45（12）：49-54.10 叶召阳.外供氢加氢站工艺流程及设备研究 J.中国资源综合利用，2020，38（12）：92-95.11 胡剑波，罗志鹏，李峰.“碳达峰”目标下中国碳排放强度预测基于 LSTM 和 ARIMA-BP 模型的分析 J.财经科学，2022，66（2）：89-101.作者简介：汪方（1994），男，硕士研究生，研究方向为大数据技术。6 司云朴.组合称重装置控制系统研究与开发 D.大连：大连工业大学，2018.7 刘锦霞.基于 ARM+FPGA 的高精度电能质量分析系统研究 D.洛阳：河南科技大学，2019.8 CHENG F B，REN K K，LI W K，et al.The establishment of distributed photovoltaic power station data collection system J.IOP conference series：earth and environmental science，2018，170（4）：042165.9 HU P F，SHEN L，HAN F，et al.Development of the data acquisition system for terahertz spectrometer J.Transactions of the institute of measurement and control，2018，40（3）：805-811.10 LU W，YANG Y W.Data acquisition ad hoc network system based on wireless sensor J.Multimedia tools and applications，2018，79：9699.11 杨宗霖，姚速瑞，张浩峰.卫星/惯性组合定位系统中的数据采集单元设计 J.电子器件，2015，38（2）：452-457.12 肖同新，马炳和，邓进军，等.基于柔性热膜传感器的流体壁面剪应力测量系统 J.传感器与微系统，2013，32（7）：101-105.13 王胜志.一种脑机接口多通道数据采集系统的设计与实现 D.上海：华东师范大学，2022.14 李茂泉.基于嵌入式的多通道数据采集系统设计 D.呼和浩特：内蒙古大学，2021.15 侯川江.高精度电阻应变数据采集系统设计 D.成都：电子科技大学，2021.作者简介：潘绍明（1976），男，硕士，副教授，研究方向为嵌入式智能控制。王 浩（1995），男，硕士，研究方向为嵌入式智能控制。尚会增（1998），男，硕士，研究方向为嵌入式系统及应用。尹梦碟（1995），女，硕士，研究方向为智能控制。（上接第74页）