带自标定的AD采样系统

文/朱贞 王本国 梁庆仟

数据采集系统是现代测控领域的关键环节之一，在精度要求比较高的控制应用中，对数据采集的精度要求也高，因此实现高精度的数据采集一直在工业控制领域占有重要地位。

1 概述

文章论述了实现该技术所需的软硬件组成，通过实验证实了该方案的可靠性。

本次设计采用的是Silicon Labs公司生产的C8051F350完成通讯控制、现场采集控制、电信号A/D转换功能。其特点如下：采用“多数字，少模拟”设计，是该公司推出的带片上ADC的8051兼容MCU。该芯片内部有一个全差分24位的Sigma-Delta模/数转换器（ADC），该ADC具有在片校准功能。可以使用内部的电压基准，ADC中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128位，适合小信号的测量、采集；该芯片包含有8路ADC和1路片上温度传感器，可以进行现场多输出量的采集并对现场温度进行监测，对采集得到的数据进行温度补偿，提高采集系统精度；该芯片还包含双8位DAC，便于对现场设备进行简单的控制；该芯片也包含了串行通信外设，可以在不增加芯片的条件下将采集到的数据用串口输出；该款芯片支持二线（C2）开发接口，支持FLASH编程；同时该芯片可工作在（-40℃-+85℃）范围内，适合恶劣的工业环境；工作电压为2.7V-3.6V，功耗小、可长时间开机工作，所有的I/O口都容许5V的输入电压信号，兼容性强。

2 带自标定的AD采样系统的硬件组成

该系统的硬件包括：数据通讯模块、模数转换模块、模拟信号调理模块、测量比较模块和待测信号。数据通讯模块以串口的形式将数据传输至外面接收系统，本次实验用计算机接收该数据并对其进行分析；模数转换模块用于实现模拟信号到数字信号的转换，本系统使用C8051F350自带的高精度模数转换模块来实现该功能，它包括8路24位AD转换单元；模拟信号调理模块对待测信号进行滤波，减小信号传输过程中产生的高频噪声；测量比较模块用两个高精度电压源，作为测量比较模块，对其进行采样、数据分析，形成系统当次开机的采样数据拟合曲线。待测信号用于测量陀螺、加速度计、温度传感器等高精度传感器的测量、取值，实验中为方便数据分析，采用外接高精度电压源作为待测信号。

表1

图1：以2.5V直流电压做实验时的数据图形

3 带自标定的AD采样系统的软件设计

该系统的软件主要由拟合程序、主程序、数据处理程序和通讯程序组成。整个主程序的执行过程包括：系统初始化、采样测量比较模块电压的数据并滤波，用前面得到的数据形成拟合曲线，测量待测电压、将测量数据代入拟合曲线并滤波、输出最终数据。

3.1 主程序设计

在系统初始化程序部分，为了减小系统中芯片的数量达到将体积见到最小的目的，程序通过设置寄存器OSCILCL使用芯片的内部振荡器、将系统时钟定在24.576MHZ；在A/D转换模块的初始化部分，设置SFR、PGA、MDCLK、ADC0DECH和ADC0DECL几个寄存器，完成对A/D转换器设置，使用内部2.5V电压基准，由于较高的抽取比会降低噪声，所以抽取比设为834，数据输出频率为1000HZ；在串口初始通过将采集系统数据输出的波特率为115.2KBPS。

3.2 数据处理部分设计

数据处理设计部分包括：

（1）比较模块电压采样：分别用三路采样电路对两个比较模块进行电压采样，然后各自进行平均、滤波，形成待使用数据；

（2）数据滤波：对两组t-4，t-3，t-2，t-1，t时刻的数据进行滤波，减小噪声对电压采样函数的影响；

（3）形成电压采样函数：根据两路比较电压的数据，拟合出电压采样函数，本次实验采用的是一次拟合函数f(x)=k1x+k2；

（4）对两组待测电压采样并平均；

（5）将待测电压采样数据代入采样函数形成待输出数据。

由于电路中高频白噪声的存在，故在程序设计中主要实现的是低频段漂移及噪声的滤除工作。

4 实验结果与结论

在实验过程中，使用一高精度波形发生器作为基准电压，待测量目标分为直流电压和正弦信号两类，直流电压包括1V、1.5V、2V，正弦信号为2V、10hz，在电路中设计三路采样电路对同一电压进行采样，然后对其进行分析、处理，形成拟合数据，然后将该数据代入所测量电压的采样数据中，经过数据处理分析，图表如表1和图1所示。

通过以图表1得出结论：该方法减小了信号采样值与真值之间的差值，使数据更接近采样信号真实值，提高了数据的可信度，但对于数据噪声方面的抑制没有明显效果，这点需要在以后的实验中进一步解决。