基于单片机的高分辨率多通道数据采集系统

张健 刘斯 刘洋

摘要    为了实现对传感器输出模拟信号的数字化处理，本文详细介绍了一款基于STC89C54单片机和AD7734芯片的三通道数据采集系统。本系统能够同步对三路模拟电压数据进行24位采集，测量范围为±10V（电压分辨率1.192μV），采样频率50Hz。本系统具有SD卡实时存储和串口通信功能。实验结果表明，本系统测量平均相对误差为0.007%，非线性度为0.002%FS，均方根噪声为44.754μV。

【关键词】多通道 高分辨率 单数据采集 AD7734

传感器是能够感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件。对于大多数具有特定功能的传感器，其输出信号多为连续的模拟电压信号，而对模拟信号进行数据传输和数据分析时则需要将模拟信号转换为数字信号，因此需要一个低噪声、可靠性高的数据采集系统来提供技术支持。AD7734系列芯片是一种基于通信编码理论与数字信号处理技术的新型Σ-Δ型AD芯片。本文基于单片机STC89C54和AD7734设计了一款高分辨率的三通道数据采集系统，可实现对三路模拟信号进行高精度的同步转换操作，具有效率高、功耗低、功能强大和成本低廉的特点，并具有电池接口，可扩展配备电池用于长期野外工作。

1 系统组成和工作原理

本系统由电源模块、AD采集模块、单片机控制模块（包括显示及存储）和串口通信模块组成，拥有三通道同时输入采样能力。前端功能传感器输出三路模拟直流信号，经三路AD采集电路转换为三路数字信号，再通过单片机控制对数据进行实时存储及显示，同时将采集到的结果由RS232串口发送给上位机进行后续处理。

2 系统硬件设计

系统硬件电路由四部分组成：电源电路、AD转换电路、单片机控制显示及存储模块电路和串口通信电路。

2.1 电源设计

本数据采集系统的电源电路由数字电源和模拟电源组成，二者分别为数字电路和模拟电路供电。此处采用两片低压差线性调节器LM2931，其最小输出电压值为4.75V，典型值5V，反向电压瞬变保护可达-50V，工作温度在-40至125°C。模拟和数字部分均采用+5V分别供电。数字地与模拟地之间用零值电阻隔离，防止数模信号相互干扰，同时利用LED灯与限流电阻构成提示电路，用来判断系统是否上电。

2.2 AD采集电路设计

AD采集电路由单片机STC89C54控制AD7734来实现。AD7734芯片是一款高精度、高吞吐量的数模转换芯片，工作温度为-40°C-105°C，拥有±0.0024%的非线性度，该芯片采用Σ-Δ架构，适合高分辨率多路复用应用。AD7734芯片内部具有15个寄存器供用户设置芯片的特性参数，寄存器的数据长度最高可达24位，当输入电压范围配置为±10V时，数据21位有效。设置AD7734芯片采样率小于200Hz时，采样结果的均方根噪声小于9.6μV。

本系统的AD时钟采用6M无源晶振外部时钟源。AD7734芯片由单片机STC89C54的I/O进行配置和控制数据交换。AD780芯片提供+2.5V的AD基准电压。

2.3 单片机控制电路

本系统采用单片机STC89C54作为中央处理器，其采用中断和串行方式与AD芯片及显示电路通信。同时采用模拟SPI通信协议与存储模块（SD卡）实现通信。

2.3.1 单片机最小系统根据

AD7734芯片的数据手册，其引脚SCLK为单片机向AD7734提供的时钟信号;CS为单片机向AD7734提供的使能信号;RESET用于给AD7734进行复位的信号;DIN与DOUT分别为单片机数据输出端与输入端，对应AD7734的数据输入端与输出端;RDY为AD7734转换完成标志信号，当AD7734完成模数转换以后，RDY信号变成低电平，此时单片机通过DOUT可以对AD7734进行读数据操作。

2.3.2 显示、存储及通信模块本系统选取

LCD1602作为液晶显示，通过STC89C54控制I/O口进行数据输出显示，并可将数据通过模拟SPI发送至SD卡进行存储，且可以通过RS232通信模块发送至上位机进行处理。

3 系统软件设计

系统上电后首先进行系统初始化，包括对单片机外围负载的初始化、AD7734的初始化及串口初始化。本系统采用单片机外部无源晶振，系统时钟频率为11.0592MHz，然后设置AD7734的三个通道AIN0、AIN1、AIN2进行数模转换，配置电压输入范围为±10V，单片机为AD7734芯片的SYNC引脚提供一个同步信号，每个通道设置为连续转换模式，各通道起止工作时间的差值不大于0.7ms，所有通道转换完成后RDY拉低。当AD转换操作启动以后，系统读取FLASH参数，根据保存的参数进行AD采集，若启动采样之前没有进行参数设置，则根据默认参数进行AD采集。信号采集系统的采样速率为50Hz，系统对AD转换芯片AD7734传输结果进行累加、平均等数据处理，最后发送给上位机。

4 原理样机测试

4.1 量程、线性度及测量误差

本次实验采用DCP8325L带电子负载的精密程控电源提供电压输入信号，标准值由Tektronix泰克DMM4040六位半台式高精度万用表测量得到，测量值由上位机自动计算得到（忽略不稳定输出位），所得样机输出电压与标准电压值做最小二乘线性拟合，与拟合直线相比，最大偏离值与最大量程之间的比例定义为输出的非线性度。本样机测试结果与标准值的平均相对误差绝对值约为0.007%，非线性度约为0.002%FS。

4.2 分辨率及噪声测量

根据24bit芯片AD7734的数据手册及实际测量的电压数据结果，本样机最小分辨率可达到1.192μV。采用公式法对采集的电压值进行功率谱估计。将随机序列x（n）的N个观测数据视为一能量有限的序列，取最接近数据长度的2的整数次方作为FFT变换长度，直接计算x（n）的离散傅立叶变换，取幅值以后计算x（n）真实功率谱的估计。本次噪声测试数据采集频率为50Hz，采集时间为10分钟，通过串口转换器PL2303将数据上传至PC端。根据标准值及测量结果求出数据真值矩阵，再由測量结果数据矩阵减去真值矩阵得到误差，最终计算所得到系统的均方根噪声为44.754μV。

5 结束语

本文从软硬件两方面设计思路出发，介绍了一款基于STC89C54单片机与高精度AD转换芯片AD7734的多通道数据采集系统。经测试，本系统电压测量范围为±10V，测量结果相对标准值的误差均值为0.007%，非线性度为0.002%FS，采样率为50Hz，测量分辨力为1.192μV，均方根噪声为44.754μV。系统能够用于需要较高精准度且要求多路复用的标量检测装置或矢量测量设备，如高精度电子温湿度计、高速飞行显示器或三轴磁通门磁强计等。

参考文献

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