一种高分辨率数据采集系统的设计

张家田，吕 军，吴银川

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，西安710065)

0 引言

在石油电法测井系统中，需要对响应信号进行数据采集。数据采集技术主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制问题［1］，从而获得对应的地层电阻率信息，确定目标地层的含油情况［2］。本文以C8051F020单片机和ADS1271模数转换器为核心，设计了一种数据采集系统。该采集系统具有24位高分辨率，可以方便的通过计算机控制，实现数据采集控制、数据处理以及数据文件存储等功能，满足实验室环境下常见测井信号的采集要求。

1 采集系统的设计

采集系统的总体设计框图如图1所示，单端信号从输入端子输入，信号调理电路对输入信号进行放大、滤波以及单端转差分转换，满足ADS1271对信号幅度、频率以及输入方式的要求;ADS1271完成24位高分辨率数据采集［3］;C8051F020实现数据采集的控制、数据暂存以及上位机的通信;计算机通过USB接口实现数据的接收、处理以及保存二进制数据文件，整个采集系统在计算机的控制下工作。当C8051F020接收到计算机发出的采集命令时，ADS1271在C8051F020控制下，不断将采集的数据按一定的格式暂存单片机中。单片机接收到上位机发出采集命令后，将一定量的数据发送给计算机，计算机将数据处理后存储成二进制文件。

2 接口设计

2.1 接口电路设计

ADS1271数据输出采用串行接口方式［4］，通过管脚FORMAT配置，当FORMAT为0时，可将芯片配置为SPI串行接口方式，FORMAT为1时，可将芯片配置为帧同步串行接口模式。ADS1271工作模式通过管脚MODE进行配置，当MODE为0时，工作为高速模式，转换速率可达105kS/s;MODE为1时，工作为低功耗模式，芯片耗散功率仅为35mW;MODE为悬空时，工作为高分辨率模式，转换速率为52kS/s，输出信噪比可达109dB。ADS1271和单片机的接口电路如图2所示，ADS1271设置成高分辨率模式，采用SPI串口方式与单片机连接。单片机SPI口设置成主模式，MISO为采集数据的输入，SCK为串行时钟输出端。

图1 采集系统的总体设计

图2 ADS1271和单片机的接口电路

2.2 SPI接口时序

SPI接口时序［2］如图3所示，ADS1271每次转换结束，/DRDY由高电平变为低电平，单片机通过程序不断扫描P2.0的电平变化，从而确定转换是否结束。如果结束，单片机自动接收24位数据，接收结束后单片机处于等待状态。该系统中ADS1271和C8051F020晶振均采用16.384MHz。在AD高分辨率模式下，采样速率为32ksps，SPI接口最小数据传输速率为768kbps。单片机SPI口主模式下最高通信速率为晶振的一半［5］即为8192kbps，完全可以满足通信的要求。

图3 SPI接口时序

2.3 数据存储设计

硬件上通过给单片机外扩128K×8bit的SRAM，提高单片机的数据暂存能力。数据采用循环存储结构［6］设计，每三个存储单元(8bit×3=24bit)存储一个采样数据，存放最新的1s中的数据(32k×24bit)。当采集系统上电后，不断顺序采集数据，暂存到SRAM，当采集系统接收到上位机取数命令后，依次将数据发送到上位机，上位机利用VB软件的文件操作［7］将数据写入二进制文件，以便后续相关软件对信号的方便处理。

3 软件设计

3.1 控制界面设计

上位机控制软件采用VB6.0设计，其界面如图4所示。其中工程名即为二进制数据文件名的一部分;通信控制设置通信接口以及通信速率;参数设置部分设置采集时间以及超前时间，超前时间最大为1s;当参数设置完成后，点击应用控件，上位机将采集相关命令发送到单片机，单片机将接收到的命令解析后，执行相应的数据传输任务。为便于后续信号处理，二进制数据文件名的命名规则为：工程名+年月日+当前时间 +采集时间 +超前时间。文件名为“ceshi 20110603 204106 10 1”，可理解为数据采集在2011年6月3日20点41分6秒时采集10秒的信号，其中超前时间1秒。

3.2 控制指令设计

上位机控制指令如表1所示。指令有16位(2个字节)构成。其中FLAG为命令标志，FLAG=1时，表示采集命令，FLAG=0时，指令忽略;POSTTIME(由 PT0～PT2共3位构成)为超前控制，POSTTIME对应值为超前时间，具体解析如表2所示。SAMPLETIME(由SAMT0～SAMT11共12位构成)为采样时间控制，SAMPLETIME对应值为共采集数据的时间，SAMPLETIME的范围为0～600(对应12位二进制数)，对应时间为0～600s。整个指令由单片机负责解释，从而实现数据的精确采集。例如当采集指令要求超前1s，采样时间20s，采集指令为 0xC0，0x14。

图4 上位机控制界面

表1 上位机控制指令

表2 超前控制指令POSTTIME

4 结论

本文以C8051F020和ADS1271为核心，设计了24位高分辨率数据采集系统，给出了单片机与ADS1271的接口设计和上位机控制软件设计。结果表明：该采集系统采样最大频率为32Ksps，可超前采集1s。采集命令可由上位机控制，最终采集数据以二进制文件形式保存。该系统采样频率的改变可以通过更换AD1271的晶振频率，超前采集时间的延长，可以通过容量更大的存储芯片实现。该采集系统已成功用于过套管电阻率测井室内试验研究项目中，获得满意的实验效果。

［1］吴银川，严正国，苏娟.基于DAQBench的数据采集系统的设计［J］.仪器仪表用户，2008，15(3)：32-33.

［2］张建华，刘振华，仵杰.电法测井原理与应用［M］.西安：西北工业大学，2002：1-11.

［3］严正国，张家田.高分辨同步数据采集处理系统设计［J］.中国计量学院学报，2006，17(3)：192-195.

［4］TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED.24Bit，Wide Bandwidth Analog-to-Digital converter，ADS1271［EB/OL］.http：//www.ti.com，2007：2-6.

［5］潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速 SOC单片机原理及应用［M］.北京：航空航天大学出版社，2002：169-171.

［6］林占江.电子测量技术［M］.北京：电子工业出版社，2009：190-194.

［7］刘新民，蔡琼，白康生.Visual Basic6.0程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2004：168-183.