叶少强 易国凯
广州山锋测控技术有限公司 广东广州 510656
摘要：绝大部分工程仪器，离不开对各种传感器信号、模拟信号的采集并转换为可分析数字量信号。转换后的数字量化信号，再通过数字量运算得到想要的测试结果。模拟信号到数字信号的转换，对仪器来说是一个很重要的环节。本文将介绍一种基于无线Wi-Fi设计一款双通道，24位模拟信号无线采集器的方案与实现方法。
关键词：24位ADC；双通道采集器；CPLD；单片机；无线WIFI；
0 引言
绝大部分工程仪器，离不开对各种传感器信号、模拟信号的采集并转换为可分析数字量信号，再通过数字量运算得到想要的测试结果。模拟信号到数字信号的转换，对仪器来说是一个很重要的环节。目前市面上有多种模拟采集办卡相对比较成熟，有16位、也有24位采集器，大部分以通用仪器板卡的形式存在，如PXI、PCI、PCIE等通用板卡接口，也有通用USB接口的采集盒。但是以板卡形式存在主要是针对通用仪器，需要配合专用的机箱、硬件设备才可以应用。基于以上的种种情况及客户需求分析，本文介绍一种基于Wi-Fi无线，双通道模拟信号采集器设计方案与实现。该采集器，支持24位、最高400K采样率、高采样精度、可设采样深度、无线Wi-Fi传输、电池供电等功能。
1 总体方案设计
双通模拟信号采集器工作时的示意图如图1。
图 1双通道无线采集器工作示意图
采集器，工作时充当一个无线Wi-Fi热点AP功能，支持控制终端通过Wi-Fi方式接入到采集器。采集模拟信号时，传感器信号经过调理电路，放大、转换为ADC可采集的模拟信号；调理后的模拟信号经过ADC转换器，量化为采样数字信号；量化后的采样数字信号经过CPLD的桥接，由MCU通过DMA快速缓存到内部存储器或外部存储器；MCU通过Wi-Fi将缓存的采样数据上传给上位机。通过以上步骤，采集器完成双通道模拟信号的采集，并将采集信号上传给上位机显示处理。采集器，主要由传感器接口及调理电路、ADC采样机及控制、MCU及缓存、触发控制、无线通信、电源管理等部分电路组成，其原理框图如图2所示。
图2 采集器原理框图
2 传感器接口及调理
采集器，主要用于采集传感器信号。传感器信号具有幅度不确定、动态范围大、频率范围宽、源阻抗大等特点。ADC采样之前，需要经过调理电路对传感器信号进行阻抗调整，幅度变换。
信号调理电路方案设计，使用了可调节增益的仪表放大器AD8253作为前置放大器，使用ADA4896-2作为ADC的驱动电路。调理电路的组成原理框图如图3所示。
图3 传感器调理原理框图
AD8253是一款数字可编程增益仪表放大器。AD8253支持电压增益为1、10、100、1000四挡数字可编程增益。相比使用传统的固定增益仪表放大器，加上PGA电路，AD8253省去了电路复杂度，大大降低了前置放大器的噪声。
图4 AD8253仪表放大器
ADC驱动电路，方案设计选用了ADA4896-2作为驱动器。ADA4896-2相比其它的运放来说，具有极低的电压噪声，低至1nV的电压噪声密度，优异的线性度，0～7MHz方位内具有0.1dB的平坦度。非常适合24位ADC电路的驱动设计。
3 ADC采样及控制
采集器信号质量除了前端模拟电路的调理外，还需要一个符合要求的ADC转换器。ADC选用TI公司推出的ADS1672，该ADC是单路24位高精度Sigma-Delta型ADC，每通道支持最高采样率为625KHz。
图5 ADS1672单路Sigma-Delta高速ADC
采集器ADC采用高速串行传输（SSI串行协议）接口协议，MCU控制器无法直接接收ADC输出的采样数据，需要加入CPLD。CPLD主要负责将两路ADC串行时序逻辑（SSI）转换为单片机并行的FSMC时序。
图6 ADC采样CPLD桥接电路内部逻辑示意图
4 WIFI无线通信
采集器的Wi-Fi充当AP热点的功能，支持控制终端通过无线Wi-Fi接入采集器。
图7 Wi-Fi组网示意图
5 嵌入式软件设计
采集器的嵌入式软件按需求实现主要功能：触发控制、预采样、触发采样、数据快速缓存、采样数据传输、待机功耗管理等功能。
采集器要获取稳定的采样数据时，需要完成触发控制、预采样、触发采样等。预采样是在触发信号前，提前采集通道的数据并缓存在缓存空间内。触发采样是触发信号到来之后，采集器采集一定数据点长度，并将数据缓存到缓存内等待数据抓取。触发控制、预采样、触发采样的软件逻辑设计如图：
图8 触发控制的实现
采集器采集开始后，如果MCU的数据缓存软件设计不合理，将引起系统运行不稳定，采样波形失真。软件设计引入DMA传输技术，降低MCU的数据传输时的工作负荷，提高ADC采样的实时性，有效的达到数据的快速缓存。
图 9 数据DMA快速缓存到内部RAM的内存示意图
7 总结
基于以上的方案设计，双通道高数24位模拟信号采集器，可实现两路模拟信号，单次采集、连续采集，通过Wi-Fi上传给上位机。可采集0.1mVrms微弱模拟信号。如图是采集器上位机控制软件，及在增益为10，采样深度1024的，通道一输入0.1mVrms的正弦波，通道二空载时的采样波形。
图 10 双通道采集器的采集信号效果
作者简介
第一作者叶少强（1986-），男，本科，初级，主要研究方向：电子技术应用、硬件开发、信号处理等。
第二作者易国凯（1988-），男，本科，初级，主要研究方向：电子技术应用、硬件开发、单片机技术应用等。
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与此同时，为入园企业提供保姆式服务，根据“引进来、落下去、站起来、活的好”的产业招商思路，着力打造以下10项综合招商优势，为入园企业打造稳定的营商环境，见表1。
（4）产业链条打造和完善方面：园区以氢能汽车为先导产业，具备氢能完整产业链条，高端产业集聚效应明显，符合工业4.0、园区5.0特征的产业高度集聚形态。
园区在氢能源全产业链积极布局：一是在产业链上游引进和布局制氢、储氢、运氢等产业项目，重点引进美国普顿能源系统公司质子交换膜制氢技术和设备，将高效制氢设备先进生产线转移到国内发展，利用可再生能源大规模廉价制氢。二是在产业链中游积极开展科研攻关，通过自主研发和对外引进相结合，实现燃料电池大规模国产化，不断降低生产成本，提高产品质量和使用寿命，在产品稳定性、安全性、适用性等方面实现质的飞跃，提高市场竞争力。三是在产业链下游方面加强产品生产应用，深化与加拿大巴拉德、德国PM公司等北美和欧洲领先的燃料电堆研发生产企业合作，将燃料电堆从城市客车拓展到乘用车、物流车（叉车）、专用车等领域，同时积极承接巴拉德备用电源产业项目转移，拓展氢能备用电源在生产制造业和通信基站、数据机房、热电联产、医院学校等的应用。
截止目前，产业园区搭建了从氢气生产、氢气供应到氢气存储设备和配件生产、氢燃料电池到氢能动力系统整车组装和加氢设备生产；从氢燃料电池到氢能动力系统整车组装、生产；从氢能源动力车示范线的试运营到氢燃料公交车的全国推广；从产业发展到合作设立中国首个氢能研究院，引入国内外专家开展氢能研究与产品研发的氢能源全产业链。完整的氢能产业链如图2所示。
园区内氢能源客车厂房已具备上线生产能力，由青岛四方、佛山铁投、高明建投三方共同出资组建，致力于现代有轨电车和地铁等城市轨道交通客运装备的制造的南车轨道公司，已开始试生产氢能有轨电车。除此之外还有研发制造新能源汽车核心部件及控制系统设备的广顺新能源动力科技有限公司，掌握燃料电池电堆技术的广东国鸿氢能科技有限公司等相关产业公司先后成立，园区已产生产业集聚效应。产业园已经建成全国规模最大、聚集程度最高、产业链最全的氢能产业基地，将成为产值超百亿、驱动云浮转型发展的产业引擎。
图2 氢能产业链
5 结语
本研究系统梳理了目前国内产业园区研究现状，提出当前园区产业导入存在的问题及解决对策和思路，同时以佛山（云浮）产业转移工业园为例进行案例分析，研究成果为我国类似产业园区的发展提供了有益的参考和借鉴。
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论文作者:叶少强,易国凯
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第1期
论文发表时间:2019/9/3
标签：信号论文; 采集器论文; 缓存论文; 电路论文; 园区论文; 产业论文; 传感器论文; 《建筑细部》2019年第1期论文;