高精度通用型混合采集电路设计∗

任勇峰 杜若楠 王淑琴

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室 太原 030051）（2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）

1 引言

随着对飞行器的逐步深入研究，监测的信号种类、数据量增加，通道［1］切换频繁，硬件电路设计难度增大，数据帧结构要求逐步提升，因此需要一个功能强大的处理器。对比传统采集系统采用单片机或DSP 芯片，单片机速度跟不上，逐渐淡出历史舞台；DSP 成本较高，在工程设计中被逐渐替代。近年来采集系统开始使用FPGA［2］替代DSP，FPGA优势明显，有更快的时钟，可以处理更快的速率，开发难度降低，成本大大低于DSP，使用范围越来越广。传统采集电路使用二级模拟开关进行选通，硬件复杂度高，运放负载压力大。本设计采用一级模拟开关，提出了一种可以随帧结构的变化随之更改的ROM 表编码方法，无需考虑实际信号通道，设计周期短，可操作性强，缩短设计周期。

本文设计了一种高精度通用型混合采集系统，系统由三块采集板卡构成，实现了160 路不同板卡，不同类型模拟信号的采集和编码。基于可扩展性、通用性和高采集精度的要求，各板卡内部通过三通连接器级联。隔离采集的信号，采用线性光耦、DC/DC 和数字隔离器的方法，防止通道之间相互串扰和模拟开关切换的干扰。所有通道统一由总线控制，只需要一块主控卡控制所有采集板卡。

2 总体结构设计

结构设计采用级联式，设计各个板卡的板间连接器在同一个位置，可以对插进行通信，可以增加或去掉板卡来满足不同的采集［3］要求，满足通用性和可扩展性要求，其系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

系统由3 大类组成，分别是顶层的主控卡，中间的采集卡和下面的电源卡。

主控卡：FPGA 芯片高速运转处理数据，分别需要有3.3V、1.8V、1.2V 和1.0V 电压供电，有明显发热现象；电源芯片LTM4644 给主控卡供电，发热严重；以太网芯片88E1111 传输高速数据，这三块需要设计上盖向下凸起，辅助芯片散热，所以放置在最顶层。

电源卡：电源是整个系统的生命源泉，为了响应国家芯片国产化，选用中电四十三所国产化芯片，模块是直插型，比较重，同时可以接触到下层结构来辅助散热，所以放在最下面。电源卡将外部输入的28V 电压转换为可供整个系统使用的各种电源幅值12V、5V 等，通过板间连接器输出电压到各个板卡。

采集卡：由2 块采集卡和1 块隔离采集卡构成。每块采集卡需要采集64 路模拟信号，隔离采集卡需要采集33 路模拟信号。因为无特殊需求设计，所以放在中间层。

3 硬件电路设计

3.1 采集卡原理

采集卡信号不需要隔离，如图2 所示，外部信号由连接器进入后，64 路信号先进行RC 滤波，进入运算放大器AD8608 跟随，随后进入模拟开关ADG706，最后进入数模转换器AD7667。因为输入信号范围是0～5V，AD7667 的输入范围是0～2.5V，所以需要降压跟随。ADG706 的使能、地址信号，AD7667的cnvest、byte信号由主控卡FPGA控制，转换后的数字量由数模转换器输出到内部总线，进入到FPGA进行统一编帧打包。

图2 采集卡原理框图

3.2 隔离采集卡原理

隔离采集卡信号需要隔离，如图3 所示，不同类信号，同类不同通道信号之间都需要单独的线性光耦进行隔离。由FPGA 控制输出，经总线进入的地址信号、使能信号各需要1 个四通道数字隔离器ADuM1400进行隔离。因为ADG706的输入电压范围是0～5V，28V 和15V 待采集［4］信号进入运放前要进行降压，使得进入运算放大器的信号在输入范围内，模拟开关输出后同样要进行分压跟随。

图3 隔离采集卡原理框图

3.3 总线设计

本设计为混合采集，采集卡和隔离采集卡因为采集［5］信号数量不同，接口控制信号冗余程度不同，如图4所示，通过总线进入到各个板卡需要接1个100Ω精度为1%的电阻来进行选通控制。每块采集卡有64 路信号，1 个ADG706 最多可以输出16路信号，采集卡需要8 个ADG706 芯片。隔离采集卡有33路信号，需要3个ADG706芯片。

信号从调理电路输出后，首先由总线提供的片选信号CS_1、CS_2 或GLCJ 来决定哪个卡开始工作；接着通过使能信号来决定哪个模拟开关工作，信号就相应进入工作的模拟开关；最后由地址信号决定进入模拟开关的哪一路信号输出。

3.4 线性光耦隔离设计

模拟信号输出调理电路后首次隔离使用线性光耦［6］将前端调理电路与模拟开关隔离开，避免通道干扰。因为光耦的结构决定了其具有单向导电性，输入电压等于输出电压。在调试推荐的典型电路过程中发现有毛刺现象，所以在实际应用电路中，做如图5的改进设计，C56用来防止电路产生震荡，滤除毛刺，避免电路发生异常，损害线性光耦1脚LED。本次设计总采样率为368.64kHz，所以采用100J50V 电容。R70 用来控制LED 的发光强度，进而控制通道增益。6 脚输出会有高频噪声影响，所以加RC低通滤波器。

图5 HCNR201实际应用电路

图5 中5V_A=5V，输入信号VIN 范围为0～5V，输入参考地AGND_A 和输出参考地AGND_B 相互隔离。根据HCNR201 芯片资料可得，Peak Input Current 为40mA，Average Input Current 为25mA，本次设计If取15mA；HCNR201的transfer gain为±5%，本次设计K取2%。

通过对比阻值，取最接近167K 的电阻值180K。

3.5 DC/DC供电隔离设计

在仪器仪表、数据采集和嵌入式系统等领域中，对精度要求较高，需要使用单独的隔离电源［7］。单个供电隔离性电源可以有效去除隔离电路间的接地环路，能够有效切断共模、浪涌等干扰信号的传播途径，降低电势差和导线耦合干扰，提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力。如图6 所示，采集系统将模拟供电与数字供电分隔开，供电和参考地分隔开。

图6 电源隔离设计

外部28V 信号给电源卡供电，进入后利用2 个DC/DC 转换器HHF28S5R2F 分别输出5V 和VCC，VCC 用来给模拟电路供电，5V 用来给数字电路供电。VCC通过板间连接器进入模拟电路后，按照隔离所需的供电电压，分别使用独立的DC/DC转换器LTM8068 给调理电路供电，生成上图3 中的5V_A～5V_F。数字电压信号5V 进入主控卡的LTM4644芯片，提供主控卡芯片所需的3.3V、2.5V、1.8V 和1.0V等电压。实现了数字和模拟的隔离，以及隔离信号之间的隔离。

4 FPGA逻辑控制设计

4.1 ROM表的编帧设计

对比传统的通道切换方法，需要在嵌入式软件中写出实现方法，切换顺序按照帧结构的排列方式执行，这个方法在通道少时可以满足要求。但是随着需要采集的模拟量的数量增加，帧结构［8］相应也变得越来越复杂，相应切换方法越来越复杂，需要考虑切换的板卡号、板卡的模拟开关号，代码编写越来越复杂。

为解决此问题，本设计提出将所有要考虑的因素统一起来进行编码，编写好的二进制地址放在一个文件里，这个文件叫做ROM 表，放在嵌入式软件工程下。在进行采集时，通过表中地址选择板卡进而选择模拟开关输出信号进行模数转换。

根据总线设计需要3 个片选信号CS_1、CS_2和GLCJ，采集卡和隔离采集卡的模拟开关的使能信号。每个模拟开关最多输出16 路信号，所以需要4个地址选通信号A0～A3。综合考虑到编码［9］的长度和编写复杂程度，按照先片选信号，模拟开关信号次之，地址信号最后的顺序依次完成编码。三个片选各占一位，三块卡的使能信号各使用两位数表示，地址信号使用4 位数表示第1 通道到第16 通道。具体信号对应关系如表1示。

表1 ROM表编码格式

4.2 AD7667采样时序分析

采编器的帧结构一般由通信双方协调，较为固定。本次设计要求子帧路采样率［10］为10.24kHz，副帧路采样率为80Hz，总采样率为368.64kHz，所以采用29.4912MHz 的晶振80 分频产生。全帧为36×128 字，所以帧最长为9.216KB，子帧长36 字，副帧长128字。子帧的第26、第27波道为副帧，第34波道为ID 字，范围为0～127，第35、36 波道为同步字FDB1 8540。

如下图7 所示，Cnvst 信号控制AD7667 进而控制模拟数据转化为数字信号，Cnvst 低有效，在T10时刻开始进行转换，转换完成时刻为下次采集的开始；Addr 地址信号控制模拟开关ADG706 通道输出，在T1 时刻前需要将ROM 表中的二进制地址译码；AD_cs 控制ADG706［11］选通哪一块板卡，AD_rd提供使能信号，只有AD_cs 和AD_rd 同时为低电平，模拟开关才可以选通；Byte 信号控制数据高8位低8位输出，高电平有效，在T2和T6时刻完成高低数据的切换；Wclk 为分频后时钟，时钟上升沿有效，在T5 和T11 时刻将已量化数据写入fifo 中等待转换。

图7 AD时序图

5 结果验证

为了验证本设计的高精度采集［12］要求，需要测试采集卡和隔离采集卡通道串扰程度。正常信号为直流电压信号，测试当其他相邻通道信号异常时，对直流信号产生的串扰程度。任选两个相邻通道，其中TF11 和TF12 为隔离采集卡相邻通道，TF11 输入2V 直流信号，TF12 分别输入2.5V 正弦波，2.5V三角波。

实物图如图8所示，搭建测试环境如图9所示，系统联试需要采编器、存储器、信源测控台、存储器测试台和地面综合测控台相互配合完成。通过随机振动、高温老练和温循试验来模拟飞行过程的恶劣环境，试验过程中通过查看TF11 直流信号分层值来确定是否满足精度要求。

图8 采编器实物图

图9 系统联试环境

三种信号分别由信源测控台配置发出，通过1.5m 电缆进入采编器进行采集编帧［13］，再统一打包发送给存储器存储。存储器收到下载数据指令后进行数据回读，每次回读1G存储器数据，对回读的数据进行数据分包，分包后的模拟量数据用地面测控台上位机绘图软件［14］打开。因为其他通道没有配置模拟量数据输出，所以只需要关注这两个通道数据，随机选取一轮实验得到下图10～12。

图10 2V直流电压信号

图11 2.5V正弦波信号

图12 2.5V三角波信号

上位机绘图清晰完整，波形稳定规律。16 位二进制数可以表示十进制数的范围为0～65535，所以纵轴用范围为0～65535 来表示输入信号0～5V 电压。通过直流信号的分层值来计算采集精度：分层值/65535。如上图9 所示，TF11 通道在正弦波的干扰下的分层值分别为35，计算此时采集精度为0.53‰，满足技术指标3‰。

通过直流信号的均值来计算采集精度：（Average 与理论值差值）/满量程。信源测控台配置下发2.0V 直流信号，实际用高精度万用表测试为1.935V。由此可以计算出理论数字量为

如图9所示，Average值为25328，采集精度为

通过分层值和均值计算出的采集精度一致，均满足设计要求。由采集精度可以计算出最大分层值为

绘图分层值小于197则满足精度要求，TF11通道在三角波的干扰下的分层值为40，满足精度要求。对比传统只有采集卡的精度为3‰通用设计，本次隔离采集引入线性光耦隔离、DC/DC电源隔离和数字隔离器的隔离。线性光耦因为个体转移增益不同而出现通道差异［15］，后期可以通过K、b系数标定来具体确定各通道参数。此设计为共地和不共地混合集［16］采提供思路，具有很重要的工程价值，现已投入工程使用。

6 结语

本文设计的高精度通用型混合采集电路从系统结构、采集和隔离采集原理入手，着重介绍了隔离设计，提高电路的抗干扰性；ROM 表的编帧设计能够实现更多通道灵活切换和选通；AD 采集［16］时序分析能够精准采样，保证时序衔接无误。经试验验证，该设计高精度和通用性都得到了验证，未来提升的地方将ROM 表的编码位数进一步简化，提高代码通用性。