组网式多通道数据采集系统设计

于志强，陆桂军，于洪泽，韩松，白洪海

（天津电气电气科学研究院有限公司，天津 300180）

在冶金行业，电控设备在调试、运行过程中，需要对设备中多种过程信号进行实时监测，以获取设备的运行状态，分析故障信息。工业设备的现场应用环境通常十分恶劣，存在复杂的磁场、电场等干扰因素，为保证数据采集的准确性，要求数据采集装置有较强的抗干扰能力，此外，多路模拟量、数字量信号需要同步采集[1]。

目前，常用的数据采集方式多为工控机配合数据采集卡，数据采集卡种类较多，能够采集不同频率、不同电压等级的信号，采集速度快、可靠性比较高，但采样设备成本较高、体积较大，不便于工业现场安装布线。通常情况下，采集设备与被测信号距离较远，信号采样的走线较长，采样信号易受干扰，引入较大噪声信号，导致采集信号失真[2-4]。

为了解决上述问题，本文设计了一种基于“ARM+FPGA”的多通道数据采集系统，该系统能够同步采集多路数字量、模拟量信号，采集模块有组网功能，体积小、成本低、抗干扰能力强。

1 数据采集系统

1.1 系统工作原理

数据采集系统结构如图1所示，系统内包含至多10个采集模块，每个模块实现8路模拟信号和8路数字信号采集。多个数据采集模块间通过高速光纤通讯连接，上位机与采集模块1通过网络连接。

图1 数据采集系统结构Fig.1 Structure of data acquisition system

采集模块是采集系统的核心，其结构如图2所示，采集模块包括：模拟量采集回路、数字量采集回路、主控回路、通讯回路、指示灯等。其中，模拟量采集回路实现模拟量输入接口保护，信号调理、滤波，模数转换（A/D），隔离；数字量采集回路实现数字量信号滤波输入、隔离；主控回路基于“ARM+FPGA”，实现A/D数据采集驱动、数据接收缓存、通讯回路驱动、指示灯控制等；通讯回路实现数据上传以及多个采集模块间的高速通讯；指示灯指示模块运行、错误状态。

图2 采集模块结构Fig.2 Structure of data acquisition module

系统工作过程中，由拨码开关设置各个采集模块的地址，各模块完成数据采集后，经由高速光纤通讯将数据传输到采集模块1，统一上传至上位机，进行实时显示、储存。

1.2 采集模块的主要指标

针对冶金行业的需求，采集模块实现的主要技术指标如下：

模拟量输入：8路，彼此隔离，对外隔离，输入电压-10～+10 V，输入电流0～+20 mA，信号带宽1.6 MHz；

数字量输入：8路，彼此隔离，对外隔离，24 V数字信号，频率上限10 kHz；

电源：DC18～28 V，2 A max；

模数转换器：采样频率1 MSPS，分辨率14 bits；

通讯接口：100 Mbps光纤；

上位机通讯接口：RJ45；

工作环境温度：-20～80℃。

2 硬件设计

2.1 电源

为了增强数据采集系统的抗干扰能力，对模块电源进行了隔离设计，如图3所示。数据采集模块输入电源为DC24 V，1.5 A。模块中包含8路模拟量采集通道，通道间彼此独立，且对外隔离，使用8路隔离DC/DC电源，产生±12 V，+5 V电源为每个采样通道供电；24 V输入电源经过DC/DC电源芯片生成5 V，3.3 V，2.5 V，1.2 V电源为数字量采样回路隔离侧、主控回路、通讯回路、指示灯供电。

图3 电源设计Fig.3 Design of power supply

2.2 信号调理滤波电路

为了提高模拟量数据输入的稳定性，增强数据输入接口的抗干扰能力，采集模块设计了一个信号调理滤波电路，如图4所示。模拟量信号可以差分或者单端输入，低通滤波电路用于对信号进行共模、差模滤波，用以消除高频噪声影响，低通滤波电路截止频率1.6 MHz，利用瞬态二极管对输入电路进行保护。运放N1构成跟随器，使得信号输入端具有高输入阻抗的特性[5-6]。通过对电阻R7，R8的选焊，实现对电压量或者电流量信号采集的切换。

图4 信号调理滤波电路Fig.4 Circuit of signal adjusting

2.3 模拟量采集电路

模块有8路模拟量通道，各通道采样电路为独立电路，如图5所示。设计中采用8片高精度、单电源供电、可变输入范围的SAR型（逐次逼近式）A/D采样芯片实现模拟量采样，该芯片分辨率14 bit、最大模拟量输入范围-12.288～+12.288 V，且内置低温漂、高精度参考电源，对经过滤波后的模拟量信号进行模数转换，转换成数字信号，经过SPI接口传输到主控系统FPGA。用电容隔离芯片对SPI接口进行数据隔离，隔离电压2 500 V，比传统光隔离的方式体积小、功耗低、传输速度快。

图5 模拟量采样电路Fig.5 Circuit of analog data acquisition

2.4 数字量采集电路

模块有8路数字量通道，电路如图6所示，数字信号两端分别接入DIN+，DIN-，信号输入不区分正负，经过一阶差模、共模滤波后，接入光耦输入端，信号隔离后，经过反相器整形，输出到主控单元FPGA。数字信号高电平24 V，低电平0 V，跳变阈值12 V左右。

图6 数字量采样电路Fig.6 Circuit of digital data acquisition

2.5 主控回路

主控电路由ARM和FPGA组成，其中ARM芯片选择意法半导体公司的STM32F407，该芯片基于Cortex-M4内核，主频最高可达168 MHz。模块中主要使用芯片的RMII接口、FSMC接口、串口等，主要功能是通过FSMC接口接收FPGA发送过来的数据，并通过RMII接口经过PHY芯片传输到上位机。

FPGA芯片选择ALTERA公司的EP4CE22，内部含有22K逻辑单元、594 kbit RAM，该芯片通过并口与ARM通讯，通过SPI接口驱动A/D芯片，使用RMII方向驱动双网口PHY芯片，IO口接收数字采集电路传来的数字量数据。

2.6 通讯回路

通讯回路包括上位机通讯回路和高速并联通讯回路。

上位机通讯回路中，使用网口PHY芯片DP83848，该芯片与主控电路ARM通过RMII接口相连，经RJ45接口与上位机通讯，通讯速率100 Mbps，将采集的模拟量和数字量数据实时上传到上位机，进行存储、显示、分析。

高速并联通讯回路包括地址选择电路、网口PHY芯片、2光纤接口电路。其中，地址选择电路如图7所示，通过U14拨码开关，设置采集模块的编号，0表示主模块，1～9表示从模块，编号信息传递给FPGA。FPGA通过RMII接口连接到双路网口PHY芯片DP83849，通过100 Mbps光纤接口输出，使用POF光纤组网，实现多模块并联。模块并联组网示意图如图8所示。

图7 地址选择电路Fig.7 Circuit of address selection

图8 并联通讯示意图Fig.8 Diagram of parallel communication

3 软件

3.1 数据采集

通过FPGA实现模拟量和数字量信号采集。FPGA上电初始化过程中，FPGA对A/D芯片进行进行初始化配置。A/D芯片共包含9个寄存器，主 要 对 DEVICE_ID_REG，SDI_CTL_REG，SDO_CTL_REG，DATAOUT_CTL_REG，RANGE_SEL_REG等寄存器进行配置，设置每个A/D芯片的ID、数据传输方式、数据格式、A/D采样范围、是否使用内部参考电压等。

数字量采集时，每一路数字量作为一个位进行采集、缓存，将8路数字量打包成一个字节。

3.2 数据传输

采集系统数据传输使用“FPGA+ARM”组合通讯方式，主模块数据传输流程如图9所示。整个系统对实时性有较高要求，最小通讯周期为100 μs，在一个周期内FPGA完成对8路模拟量、8路数字量数据采集，并接收从模块传输过来的数据，数据打包后，传输给ARM。ARM对数据进行运算后，经由网口传输到上位机。

图9 数据传输流程图Fig.9 The flow chart of data transmission

上位机软件设置数据显示的格式，动态显示范围后，对数据波形进行实时显示，可根据不同需求，显示多路采集通道数据，以进行数据对比，同时对数据进行打包存储。

4 实验结果分析

使用高精度电源分析仪（精度小数点后4位）进行模拟量采样精度测试，将转换结果（A/D转换结果为5次测量结果的均值）与输入电压进行比较，测量误差为μV级别，输入电压在-10～+10 V时，测量误差一般小于3 mV，满足数据采集系统的高精度测量要求（动态范围达到3个量级），表1为采集系统模拟量测量的误差结果。此外，使用函数信号发生器产生方波，进行数字量采集，测试结果表明8路数字量采集无误码现象，输入频率范围0～12 kHz，满足系统设计要求。系统并联测试采用1主9从10台采集模块并联测试，测试结果表明，高速通讯并联回路能够实现80通道模拟量和80通道数字量数据，以0.1 ms的采样周期采集并实时上传到上位机，满足系统组网设计要求。

表1 模拟量数据采集Tab.1 Analog data acquisition

5 结论

本文介绍了面向冶金行业的组网式多通道数据采集系统，详细介绍了其“ARM+FPGA”核心控制架构、基于高速光纤的组网通讯及各硬件电路和软件工作流程。实验测试表明，该系统数据采集精度高、可靠性高。系统已用于多个工业现场，应用结果表明，该系统各项指标满足工业现场应用需求。