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一款用于專用計算機的數據采集電路設計

添加時間:2020/08/06 來源:西北大學 作者:張志翰
本論文依據軍方用戶提出的任務要求,研制了一款用于專用計算機的數據采集電 路,裝備于某型號戰車,主要用于采集車載電站的各路電源電壓及漏電數據。
以下為本篇論文正文:

  摘要

  隨著電子信息技術的飛速發展,數據采集電路可準確、實時完成多路信號的采集,被廣泛的應用于智能測控、醫療檢測、農業生產、國防軍事等領域,極大的推動了自動化和信息化水平。

  本論文依據軍方用戶提出的任務要求,研制了一款用于專用計算機的數據采集電 路,裝備于某型號戰車,主要用于采集車載電站的各路電源電壓及漏電數據。該數據采集電路在信號采集量程、通道數目、可靠性、個性化、環境適應性等方面有特殊要 求,市面上通用的數據采集電路難以滿足任務要求。本文綜合考慮了性能指標、可靠性、設計難度及成本等因素,對數據采集電路的主要功能模塊進行了方案論證,選擇了以 AD977A 為核心的數據采集方案。硬件電路設計包括接口電路、調理電路、A/D轉換電路、總線及控制電路、PCB(Printed Circuit Board,中文又稱印制電路板)設 計等部分;針對可編程邏輯軟件進行了軟件功能設計,實現了 AD977A 芯片和 CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect,中文又稱緊湊型外設部件互連標準)總線協議的兼容。

  本文最后對設計實現的數據采集電路各項功能進行了調試與測試,測試結果表明,基于 AD977A 的專用計算機數據采集電路滿足軍方用戶的任務需求,達到了預期設計目標。

  關鍵字:數據采集電路,AD977A,CPCI 總線,PCB 設計

  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

目錄

  第一章 緒論

  1.1 論文的選題背景

  在當今社會,數據采集技術作為我們獲取信息的工具[1, 2],在機械電子[3, 4]、冶金制造、軍事工業[5, 6]等領域中發揮著非常重要的作用,已經廣泛而深入的應用于國民經濟和國防建設的每個領域。數據采集是數字信號處理的重要組成部分,大自然中幾乎所有的信號都是模擬量,計算機無法直接處理模擬信號,只能識別數字信號,因此必須將大自然中的模擬量,例如電壓[7]、溫度[8]、電流[9]、壓力以及聲音等信息轉換為數字信號[10],然后交給計算機進行計算和處理。特別是現在計算機等自動化設備的應用越來越廣泛,數據采集技術的重要性就越發凸顯,隨著信息技術的迅速發展,對信號進行高速度、高精度的采集已經成為信號處理的關鍵。數據采集是以傳感器技術[11, 12]、電信號檢測[13, 14]、接口技術[15, 16]、可編程控制器技術[17, 18]和計算機控制技術[19, 20]等先進處理技術為基礎形成的一門綜合應用技術。自上世紀 90 年代以來,世界先進國家的數據采集技術已經在軍事工業、航空航天[21]等尖端領域大面積應用。

  一般而言,數據采集系統要完成的基本工作是從信號源收集數據,然后將接收的信號轉換成數字信號,并將其傳輸到主機進行觀察分析,或直接將數字信號送入特定的信號處理系統,根據不同的需要進行計算和處理。

  1.2 數據采集的國內外現狀

  1.2.1 數據采集的國外現狀


  1)數據采集技術的發展歷程

  數據采集技術的研究起步于 20 世紀 50 年代,當時的采集設備能夠采集的數據點非常有限,并且速度慢、精度差[22, 23].20 世紀 60 年代,得益于半導體技術的研究與進步,美國科學家將半導體分立器件應用到 了數據采集領域,使得數據采集技術初步具有了實際使用價值,很快數據采集技術便應用到了軍事工業領域[24, 25].20 世紀70 年代,得益于微處理器這一劃時代產物的誕生,數據采集技術受到牽引,也步入了發展的快車道。到了 20 世紀 80 年代,隨著集成電路的發展,出現了一些專用的數據采集芯片,推動了數據采集技術的跨越式發展,走向智能化和多元化的方向。進入90 年代后期,工業計算機[26]、大規模集成電路[27]和單片機技術[28]再次推動了數據采集技術的發展,涌現出了方便快捷的軟件開發環境,開發成本大大降低,采集系統的體積更小,同時擁有更強的數據處理能力,也朝著微處理器控制和智能采集系統[29]的方向發展?梢哉f數據采集技術是伴隨著半導體技術、計算機技術以及集成電路技術同步發展起來的,相互之間共同促進,相互牽引。

  2)數據采集設備的研究現狀無論在民用市場還是軍用領域,美國的數據采集技術仍然處于世界的領先地位,電子測量和微電子領域的領先優勢也為其數據采集設備的開發提供了更好的平臺。

  例如 Spectrum 公司在 2002 年就推出了基于 PCI 總線的通用數據采集卡,采樣率可達每秒 200M,采集信號帶寬 250MHz,分辨率為 10bit,支持 100MB/s 速率的 DMA傳輸模式。NI 公司推出的 PXIe-5186 型雙通道數據采集卡,平衡了采集精度、采集速度、數據吞吐量和接口多功能性等各項指標,它的采樣率高達每秒12.5G,擁有5GHz采樣帶寬[30, 31],分辨率為 8 位,每個通道的存儲容量為 512Mb,與上位機的通信速率可達 700 Mb/s. 3)A/D 轉換器的研究現狀美國 ADI 公司是全球著名的數據轉換和信號處理方案供應商,公司旗下的 A/D轉換器系列和種類繁多,有高精度、高速度、高分辨率等不同的側重點[32, 33],表 1-1給出了現有的一些比較有代表性的芯片參數指標。

  1.2.2 數據采集的國內現狀

  1)數據采集技術的發展歷程相對西方發達國家,我國對數據采集技術的研究起步較晚,當時主要是一些儀器儀表公司進行數據采集技術研究,由于技術和軟硬件等諸多因素的限制,研發速度相對落后。當時只開發出技術規格較低的小型數據采集設備,只能采集單通道信號,甚至有些設備只能采集靜態信號。自 21 世紀以來,受到飛速發展的計算機技術以及數據處理技術的推動,我國的數據采集技術也取得了長足的進展,涌現出了一大批成熟的數據采集設備。

  2)數據采集設備的研究現狀雖然國內與世界先進水平仍存在較大差距,但近年來經過國內一些大學和研究機構的不斷探索和研究,在采集設備的研發上,也取得了很大的進步,取得了較好的效果。

  例如中國電子科技集團某研究所開發的雷達數據記錄設備,數據采集和存儲速率可達 100Mb/s;北京某航天研究所研制的數據采集電路,采用 PCI 總線,分辨率為 16bit,采樣率可達每秒 30M,可通過多種觸發方式實現 4 通道同步采集[10, 34, 35].但科研院所研制的數據采集設備往往是根據任務需求進行專項研制,有其特定的功能性能指標,通用性較差。

  近年來許多民營公司涌入軍工市場,研發出一些貨架式通用的數據采集設備,也符合軍工產品對可靠性和環境適應性要求較高的特性,但對某些公司的產品調研與試用后,發現質量控制以及售后服務方面普遍仍待提高。

  3)A/D 轉換器的研究現狀國內的 A/D 轉換器產業起步晚,目前仍在追趕世界先進水平的路上。國內這些年發展起來的 A/D 轉換器基本是仿制國外成熟產品,以國內領先的成都華微電子有限公司為例,表 1-2 列出其現有的 A/D 轉換器產品以及對應的國外型號。

  4)國內市場數據采集設備的問題通過對數據采集設備的國內市場調研,發現進口產品雖然技術先進、可靠性高,但是價格也比較昂貴,而且在功能定制與售后服務方面比較麻煩;國內產品近些年進步速度很快,但質量方面還需繼續提高。

  尤其應用在軍工特定型號產品上,性能指標往往是有定制化需求,而且對可靠性方面要求較高,國內外的產品很難同時滿足這些需求,因此需要為其設計一套專用的數據采集解決方案。

  1.3 論文的主要工作及章節安排

  本論文根據軍方用戶提出的任務要求,研制了一款用于專用計算機的數據采集電路(以下簡稱"數據采集電路"),裝備于某型號戰車,主要用于采集車載電站的各路電源電壓及漏電數據。該數據采集電路對可靠性、環境適應性方面要求較高,并且在具體的性能指標上有其個性化需求,市面上通用的數據采集電路難以滿足任務要求,同時出于對技術自主可控的訴求,需進行定制。本論文主要工作是對該數據采集電路的研制過程進行了總結。

  本文各章節安排如下:

  第一章緒論,介紹了論文的選題背景,討論了數據采集技術的國內外發展現狀,明確了論文的主要工作,并對論文的章節安排做了簡要介紹。

  第二章數據采集電路的總體設計,在分析了數據采集電路的性能指標要求后,給出了總體設計方案,并對接口電路、調理電路、A/D 轉換電路、總線及控制電路以及可編程邏輯軟件進行了方案論證。

  第三章數據采集電路的硬件電路設計,按照第二章中的既定方案開展設計,對各功能模塊以及 PCB 的設計進行了詳細說明。

  第四章數據采集電路的可編程邏輯軟件功能設計,分別對軟件的三個功能模塊進行功能設計,并進行了功能仿真。

  第五章數據采集電路的調試、測試及測試結果分析,描述了數據采集電路的調試過程和測試驗證過程,并對測試結果進行了分析。

  第六章總結和展望,首先對全文的工作進行了總結,并對下一階段研究重點進行了展望。






  第二章 數據采集電路的總體設計
  2.1 數據采集電路的功能及性能指標要求
  2.2 數據采集電路的總體方案設計
  2.2.1 數據采集原理
  2.2.2 數據采集電路的總體方案設計
  2.3 數據采集電路的方案論證
  2.3.1 接口電路方案論證
  2.3.2 調理電路方案論證
  2.3.3 A/D 轉換電路方案論證
  2.3.4 總線及控制電路方案論證
  2.3.5 可編程邏輯軟件方案論證
  2.4 小結

  第三章 數據采集電路的硬件電路設計
  3.1 接口電路設計
  3.1.1 多通道切換電路設計
  3.1.2 接口保護電路設計
  3.2 調理電路設計
  3.2.1 分壓電路設計
  3.2.2 跟隨電路設計
  3.2.3 放大電路設計

  3.3 AD977A 外圍電路設計
  3.3.1 信號量程選擇
  3.3.2 基準源選擇
  3.3.3 偏置和增益調節電路設計
  3.3.4 AD977A 的供電設計
  3.3.5 AD977A 控制信號的處理
  3.4 總線及控制電路設計
  3.4.1 隔離電路設計
  3.4.2 CPLD 電路設計
  3.4.3 CPCI 總線控制電路設計

  3.5 PCB 設計
  3.5.1 PCB 疊層設計
  3.5.2 PCB 布局設計
  3.5.3 PCB 布線設計
  3.6 小結

  第四章 數據采集電路的可編程邏輯軟件功能設計
  4.1 可編程邏輯軟件開發工具簡介
  4.2 A/D 轉換控制模塊功能設計
  4.3 多通道切換控制模塊功能設計
  4.4 總線控制模塊功能設計
  4.5 小結

  第五章 數據采集電路的調試與測試
  5.1 數據采集電路的調試
  5.1.1 調試環境建立
  5.1.2 靜態調試
  5.1.3 動態調試
  5.2 數據采集電路的測試
  5.2.1 測試環境建立
  5.2.2 數據采集電路的測試
  5.2.3 數據采集電路的測試結果分析
  5.3 小結

  第六章 總結與展望

  6.1 總結

  隨著電子信息技術的飛速發展,數據采集電路因為能夠準確、實時完成多路信號的采集,被廣泛的應用于智能測控、醫療檢測、農業生產、國防軍事等領域。在軍工行業的應用往往需要根據用戶的要求定制產品,本論文設計并實現的數據采集電路具備多通道采集功能,具有較高的可靠性,滿足用戶的使用需求。本人完成的主要工作如下:

  1)分析用戶提出的功能性能指標要求,完成數據采集電路的方案設計,對各功能模塊進行方案論證,選擇以 AD977A 為核心的設計方案。 2)完成了數據采集電路硬件部分電路圖設計和 PCB 設計。

  3)完成了數據采集電路的可編程邏輯軟件功能設計,并對各功能模塊進行了功能仿真。

  4)對數據采集電路進行調試及全面的功能性能測試,在試驗驗證過程中發現一處設計問題并進行了設計改進,針對測試結果進行了分析,數據采集電路達到了設計指標,滿足軍方用戶的需求。

  以下針對高低溫工作試驗中的故障排查工作以及設計改進措施進行說明。

  數據采集電路在高溫工作試驗中出現了零點漂移現象,隨著溫度升高,標準電壓采集通道的偏置誤差越來越大,溫度穩定在+70℃時,偏置誤差約 0.3V,測試軟件報錯。于是在固態繼電器后級、分壓電路后級、跟隨電路后級各引出一個調試信號線, 用 5500A 注入標準模擬信號進行 A/D 轉換,觀察在誤差產生在哪一級,最終將故障定位到分壓電路后級的一組鉗位二極管上,型號是 1N4148.

  查閱器件手冊并進行分析,發現 1N4148 在高溫下反向漏電流會急劇增大,會在前級 0.5MΩ 分壓電阻上形成壓降,影響被采集信號。將這兩只二極管解焊,再次驗證數據采集電路在+70℃下的采集精度,得到了顯著改善,所有通道測試正常。因此高溫工作試驗出現的零點漂移現象,是由于對二極管高溫下漏電流較大特性未深入研究,造成數據采集電路原理設計上存在缺陷引起的。

  設計鉗位二極管的初衷是基于冗余設計的思想,在該點電壓超出-15.7V~+15.7V范圍時,即分壓前的輸入電壓超出了-157V~+157V 范圍時,可以通過鉗位二極管泄放,保護后級的模擬電路。只有在前級保護電路失效的情況下,這組鉗位二極管才會發揮作用,并非必須的電路,因此設計改進措施是拆除鉗位二極管,后續投產數據采集電路時不再焊接鉗位二極管。

  6.2 展望

  由于個人水平有限,在數據采集電路設計上還存在一些不足之處,在下一階段的研究中,針對以下兩點可以加以改進:

  一是目前數據采集電路不具備自檢功能,下階段設計兩路自檢通道,可以在不依賴外部信號輸入的情況下,對板內調理電路、A/D 轉換電路、總線及控制電路進行檢測,特別是在數據采集結果異常時,可以通過自檢功能很方便的對故障進行初步判斷。

  二是可以在可編程邏輯軟件中加入軟濾波設計,進一步提高采集精度。

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致謝

  在畢業論文即將完成之際,謹向研究生期間指導、幫助和關心我的人,尤其是我的導師張萬緒老師,表達真摯的感謝。

  在攻讀碩士學位期間,張老師嚴謹的治學態度、深厚的理論功底、寬廣的眼界以及對同學們熱情的指導鼓勵,都促使我更加認真的學習和研究;而張老師平易近人的師長風范,更是給我留下了深刻的印象,終身受益。

  同時也要感謝信息學院的劉成和張馨元等各位老師,感謝他們在我學習路程中的悉心指導。

  我還要感謝單位的領導以及同事們,在本論文的研究過程中給予的大力幫助和支持。

  同樣應該感謝的,是我的家人,感謝多年來他們對我的關懷和理解。

  最后,謹向審查本文的各位評委專家表示最衷心的感謝。

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