分布式远程模拟量信号采集系统设计

崔永俊，张 祥，刘 坤，李康康，杨卫鹏，乔帅雅

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.山西一建集团有限公司，山西太原 030000)

0 引言

在工业生产和航天航空领域，大型自动化设备普遍被使用，作业环境的恶劣，往往会危及到设备的运行和工作人员的人身安全，所以实时监测一些外界的物理量参数如电压、压力、温度、光强等是必不可少的。在某些测试环境中面临大面积采集、长距离传输及精度要求高的问题，传统的采集测试方案着重单一区域，其传输距离短，精度偏低，不足以适应大型远程高精度测试的需求，为解决这类问题，本设计提出了以RS485总线为主线，总分结构的方案，分布式的设计拓展了采集的节点数，适合大范围使用，其中一个节点采集通道数目的增多，也使单一区域数据采集面更详细均匀，高精度前端模数转换采集芯片ADS1258提高了采样精度，其自循环通道扫描功能省去了传统多通道的开关选通电路，简化了电路设计[1]。另外，系统通过阻抗匹配提升了总线数据长距离传输抗干扰能力，实现了远距离稳定传输。

1 整体方案设计

根据需求，设计的模拟信号输入量程范围为0～5 V，频率范围在1 kHz以内的交流信号及直流信号，采集精度要求大于16位；每个节点的通道数大于12路。所以选用了AD转换芯片ADS1258，其输入量程范围为0～5 V；精度24位；支持单节点16路通道；每通道采样频率23.7 kS/s满足设计要求且冗余[2]。总线要求节点数为12个；传输速率20 Mbps，传输距离500 m。所以选用基于RS485总线搭建有线数据采集网络，最远传输距离1 200 m，隔离式收发器ISO1176T芯片作为RS485总线芯片，传输速率可高达20 Mbps以上，能支持32个节点。整体结构框图如图1所示。

系统的工作流程：

(1)上位机通过W5300网口发送命令给背板，背板对命令进行解析与重组后发送给总节点；

(2)总节点接收到命令之后，将命令送至RS485总线上；

(3)12个分节点分别接收RS485总线上的命令并对其解析匹配；

(4)命令匹配成功的分节点配置数据转换寄存器，并开始采集与转换；

(5)采集转换完一次，分节点将转换结果打包成数据包发送至RS485总线上；

(6)总节点读取总线上的数据，再经SPI总线发至背板；

(7)背板将数据重新组合，通过W5300网口上传给上位机保存和显示。在发送过程中，上位机每次只发命令给一个分节点，在接收过程中，总节点一次只接收一个分节点的数据，其他节点保持静默，有效避免了RS485总线上的数据冲突的现象[3]。

2 硬件设计

2.1 模数转换模块设计

模数转换芯片选用高精度芯片ADS1258。该芯片具有较高的转换精度，快速的采样转换频率，而且转换通道多，采样频率可灵活配置。模数转换芯片的电路连接如图2所示。

将ADS1258模数转换芯片的CLKSEL时钟选择引脚接3.3 V拉高，引脚XTAL1与XTAL2间不接外部晶振，而是从引脚CLKIO输入FPGA控制芯片产生的16 MHz时钟信号。ADS1258的SPI引脚AD_SCLK、AD_DIN、AD_DOUT、AD_CS引脚，经22 Ω排阻后与FPGA控制芯片连接，用以配置其内部寄存器，引脚AD_START、AD_RESET、AD_/DRDY、AD_PWDN经22 Ω排阻与FPGA控制芯片连接，分别控制转换开闭、复位、数据转换完成及低功耗设置。在MUXOUTP、MUXOUTN与ADCINP、ADCINN间分别接运放365用以控制其内部转换器的延时时间，目的是保证中途切换到一个新通道而新的转换还没开始的间隔时间[4]。

另外，ADS1258芯片有3处供电：

(1)数字部分是与FPGA连接，DVDD接3.3 V，DGND接数字地；

(2)模拟部分AVDD采用0～5 V供电，供电电压与采集的模拟信号电压范围相关，AVSS接模拟地；

(3)参考电压：VREF=VREFP-VREFN，因为参考电压的稳定性关系到芯片采集精度，设计以高精度基准稳压芯片AD586产生5 V电压作为参考电压输入，精度达 2 mV，且具有较低的噪声漂移性[5]。

2.2 RS485总线抗干扰与失效保护设计

2.2.1 抗干扰设计

在长距离通信传输时，必须要采取避免信号反射的措施，否则信号抗干扰能力与可靠性会大大降低甚至无法通信。反射原因主要有2种：一种是阻抗不连续。电缆的阻抗突然变小甚至为0时，信号会反射，其反射原理跟光线从一种媒介到另一种媒介会引起反射是类似的；另一种是阻抗不匹配。主要分为源端阻抗不匹配和负载端阻抗不匹配。由负载端反射系数公式：ρL=(ZL-ZO)/(ZL+ZO)，当负载端阻抗ZL大于传输线阻抗ZO,ρL>0,负载端不能全部吸收源端能量，多余能量将反射回源端，处于欠阻尼状态，此时易发生过冲甚至振铃，这样的电压波动可能跨越逻辑电平的阈值电压，致使接收端误判；负载端阻抗ZL小于传输线阻抗ZO，ρL<0,负载会消耗比源端传输的能量更多，故通过反射向源端寻求更多能量，处于过阻尼状态，会引起环绕振荡，造成时序冲突，使得传输链的数据发生紊乱。源端的阻抗分析同上。

为尽量减小信号反射，本设计提出了合理的解决方法，因本设计各个分节点的输入阻抗都很大，故采取并联电阻法，即在总节点与分节点的AB线间并联阻抗匹配电阻，经试验表明，当负载阻抗与匹配电阻的阻抗之和等于传输线阻抗时，信号反射最小[6]。因RS485总线的通信介质是双绞线，其特性阻抗大约是120 Ω，而且由于通信传输的双向特性，总节点端和各分节点输入端分别并联一个120 Ω的匹配电阻，连接示意图如下图3所示。

2.2.2 失效保护设计

RS485总线标准设置接收器门限为 200 mV，这个值能提供比较良好的噪声抑制能力，当A比B高200 mV输出正逻辑，当B比A高为负逻辑[7]。但若总线空闲即没有任何信号驱动总线时，A与B之间压差介于-200～200 mV，这种状况会导致接收器输出状态不确定，分节点会认为是一个新的启动位，并开始读取后续的字节，因为向后不会有停止位，所以会产生一个帧的错误结果，设备不再请求总线，通信网络将进入瘫痪状态。除了AB两线压差低于200 mV情况外，开路或短路也会导致这种故障[8]。

为避免这种不确定状态，解决方法是将总线偏置在一个确定状态，即AB两线的压差大于-200 mV，将A接偏置电阻到地，B接偏置电阻到5 V，阻值选1 kΩ。具体见图3。

3 软件设计

3.1 数据采集转换模块的软件设计

上位机下发命令后，12个分节点分别接收总节点送至RS485总线的命令包，然后各自对命令包进行解析，解析分节点地址，当地址匹配不成功，则丢弃该命令，准备下一条命令的接收；当地址匹配成功，校验有效数据位和CRC码(循环冗余校验码)，校验不成功，只上传一组固定数“AAH”，发送204800次，之后继续等待命令状态；校验成功，则复位转换模块内部的SPI接口，将SPI接口中的/CS引脚拉高或SCLK引脚保持不变约4096个总时钟。配置寄存器时，先发命令字，再配置寄存器，由上位机下发寄存器配置参数。配置过程由SPI接口串行输入实现，先发最高位，在/CS为低电平和SCLK为上升沿条件下，SPI的DIN引脚会将命令字与寄存器配置参数逐个送至ADS1258中，输入过程中，DOUT引脚上会输出无效的数据，不作处理。因本设计使用单端输入和自动扫描模式进行数据采集，所以仅需对ADS1258的CONFIG1、MUXSG0和MUXSG1这3个内部寄存器进行配置，其它寄存器保持默认值。其中CONFIG1寄存器用以配置数据采集系统的采样频率，最高采样频率23.739 kHz。配置MUXSG0、MUXSG1这两个寄存器时，控制字均是8位，每一位代表一个通道，16通道共16位控制字。高电平表示选中，芯片工作时就会采集转换该通道，低电平则跳过。

寄存器配置好后，将START引脚拉高，开始模数转换工作，接着判断/DRDY信号是否变为低电平，若是则表示某通道数据已转换完成，等待被读取。此时将SPI总线的/CS引脚拉低，DIN数据线上的输入输出的前3位不变，即000或者111时，以直接读取通道数据的方式取走转换好的数据。一次转换完成的数据有效位为32位，其中第一个是8位状态位，后是24位数据位，数据位的最高位代表采集量是否为正值，本设计采集的是0～5 V电压量，故最高位始终为1。转换次数达204 800次后，一次命令执行完毕，停止转换工作。芯片的16通道循环扫描周期小于700us，单通道以23.7 Ks/s的采样率工作700 μs16×23.7 Ks/s≈1次。分节点执行一次命令工作时间为204 80016×700 μs=8.96 s左右。数据采集转换模块的软件设计流程如图4所示。

3.2 通信协议设计

本系统中的通信协议分为2部分：系统通信协议；RS485总线通信协议。其中系统通信协议是下位机采集系统与上位机之间的通信约定，总线通信协议是指总分节点之间在总线上通信进行的约定。

3.2.1 系统通信协议

系统通信过程包含发送与接收2个动作。发送：开启分节点的数据采集工作；接收：命令背板，给上位机上传数据。

背板接收到下发的命令后，将命令进行解析与重新组合，若命令有效标志为“25”，背板继续识别命令要求是否为“A”，若是则下发命令到总节点直至总线上供各分节点读取。ADD的低5位为分节点的地址位，最多可设置地址为32个，但本设计只用到12个节点地址，采样频率RATE和采样通道AIN_0、AIN_1这3个字节的数据下发至指定分节点后，用以配置ADS1258模数转换芯片的CONFIG1寄存器、MUXSG0寄存器和MUXSG1寄存器。若命令有效标志为“25”且命令要求是“5”，此时背板转为接收状态，等待接收分节点发给总节点再到背板的数据包，重组后上传给上位机。系统通信协议结构如表1所示。

3.2.2 RS485总线通信协议

总节点与分节点之间用RS485总线通信，传输速率20Mb/s。因为下发的命令包与上传的数据包大小不同，所以其协议也不一样。总节点给分节点发送的命令共传输40位，命令格式中有32位有效数据位，1位起始位，4位CRC检验码及3位停止位。分节点回传的模数转换数据要求204 800组，每组数据有52位，含1位起始位、32位有效数据(8位状态位，24位数据位)、16位帧计数及3位停止位，总节点接收到数据后，通过系统协议上传到上位机，传送204 800次后，将总线置于发送状态，准备发送下一条命令。在此协议的规定下,一个节点的16个通道以23.7 Ks/s采样速率循环采样需总线速率为1 s700 μs×16×52 b=1.13 Mb/s，所以20 Mb/s传输率完全符合要求。具体总线通信协议如表2所示。

4 测试结果与分析

4.1 转换精度分析

从众多通道中选取分节点8的2通道、5通道和9通道进行ADS1258转换精度分析，3个通道分别对3路直流模拟电压进行转换。

利用式(1)得出输出模拟电压值

Vo=D2n·Vref

式中：D为转换后的数字量；n为精度位数；Vref为参考电压。

由芯片24位精度可知，分母应取=8M，根据转换芯片手册建议取值为7 864 320，是因为校准后最小识别电压为1LSB=Vref/780000H=Vref/7864320。分子取值因环境干扰等因素会对数据转换精度产生一定影响，故忽略转换数字量的低8位。每路从采集结果选10个数据取平均数代入计算，分子D取平均数的高16位，因最高位是符号位,取后15位计算。参考电压为5 V。以通道2为例，去除最高位符号位与后8位得2B0DH，转成十进制为2821560,则转化成模拟输出电压为Vo= 2 821 5607 864 320 ×5≈1.793 9。各通道转换结果如表3所示。

由计算式：精度=(输出值-输入值)/输入值。

2通道采样精度：(1.793 9-1.792 5)/1.792 5=0.078%；

5通道采样精度：(3.297 3-3.294 5)/3.294 5=0.085%；

9通道采样精度：(2.499 4-2.497 3)/2.497 3=0.088%；

结果表明，各通道精度均达到了0.1%的设计精度需求。

4.2 阻抗匹配验证

在500 m传输距离条件下，输入4 V高速信号来验证分节点匹配电阻的效果。从图5中看出同一输入信号，不同匹配阻值有着不同的输出情况。负载并联60 Ω匹配电阻时，曲线有明显的滞后现象，这是因信号到末端遇阻抗突然变小，末端要消耗更多能量引发回波反射所导致；负载并联180 Ω匹配电阻，曲线有下冲现象，这是因输出信号遇阻抗突然变大，能量不能完全被吸收反射回去所导致；匹配120 Ω电阻情况下，经485总线传输后的输出与输入变化基本一致。从而验证了只有匹配电阻与负载的阻抗之和等于传输线阻抗时，即匹配120 Ω并联几MΩ负载的输入端阻抗后合并阻抗约120 Ω，恰好接近传输线120 Ω的阻抗，此时反射现象最小，信号传输效果最好[9]。

4.3 上位机读取与显示

用2.5 V中心电压、振幅为1 V的正弦波测试本设计的整体性能，此处选分节点6的通道1与通道9进行测验，在图6所示的上位机界面上，选中节点6与对应通道1、9之后，按下开始采集按钮，上位机读取采集的数据并显示出波形，从结果可以看出采集到的正弦信号波形经恢复后很光滑，没有杂波成分与畸变形态出现，说明系统在长距离传输后很平稳，有效避免了可能的外界干扰与内部阻抗因素引起的信号反射，满足分布式远程多点采集平稳传输的要求[10]。

5 结束语

本设计利用分布式总分结构思想，以FPGA，RS485总线，ADS1258为主要芯片设计出下位机，以上位机完成实时控制、存储、显示功能，可以采集大区域里的多个频率范围在1 kHz以内的交流或直流模拟信号，远距离传输具备很强的抗干扰性。设计工作弥补了目前数据采集领域的不足，在高速发展的工业领域有实用。