基于虚拟仪器的高准确度同步采集系统

CHINAMEASUREMENT&TESTVol.42No.2February，2016

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.015

基于虚拟仪器的高准确度同步采集系统

史志辉，林

君，周逢道

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130061）

摘

要：针对工业生产、医疗以及科学研究过程中多路微弱信号检测的需求，采用FPGA并行控制实现16通道的同

步采集，使用大动态范围的24位模数转换芯片和低噪声模拟调理电路获得较高的信噪比，USB高速接口的设计解决大量数据实时传输的问题，基于LabVIEW的上位机软件实现多通道数据的同步采集、传输、处理和存储。高精度硬件和虚拟仪器平台的结合，能够快速搭建检测系统，并且方便对仪器进行维护、扩展和升级。关键词：仪器仪表技术；同步采集；虚拟仪器；通用串行总线文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0067-04

Precisionsynchronousacquisitionsystembasedonvirtualinstrument

SHIZhihui，LINJun，ZHOUFengdao

（CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130061，China）

Abstract:FPGAparallelcontrolwasusedtorealize16-channelsynchronousacquisitionasperthedemandformulti-channelweaksignaldetectioninindustrialproductionandmedicaland

）wasobtainedthrough24-bitanalog-digitalscientificresearch.AhighSignaltoNoiseRatio（SNR

converterchipswithalargedynamicrangeandlownoiseprocessingcircuits.LargeamountsofdataweretransmittedinrealtimethroughthedesignedUSBhigh-speedinterfacesandtheLabVIEW-basedPCsoftwarewasappliedforsynchronousmulti-channeldataacquisition，transmission，processingandstorage.Thehigh-precisionhardwareandthevirtualinstrumentplatformtogetherhavehelpedbuilddetectionsystemsandfacilitatedequipmentmaintenance，expansionandupgrading.

Keywords:instrumenttechnology；synchronousacquisition；virtualinstrument；universalserialbus

0引言

通道同步采集以保证各通道具有一致的相位。采集方式上有直接采集信号波形间接获取信号的频谱等[1]，因此要求采集系统具有参数提取和结果分析、处理的能力。

为了服务于特定应用并且达到较好的测量效果，仪器设备往往需要特别定制，从而导致开发周期长，耗费人力、物力成本。虚拟仪器利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件平台，改进了传统测量仪器在数据处理、显示、传输等方面的不足，缩短了

工业振动测量、噪声测试、多路加速度传感器测量以及医疗的心电、表面肌电测量等领域不仅要求采集系统具有较强的弱信号检测能力，而且要求多

收稿日期：2015-03-18；收到修改稿日期：2015-05-17基金项目：国家自然科学基金（41004027）

教育部产学研用合作创新项目（OSR-02-01）

作者简介：史志辉（1990-），男，黑龙江佳木斯市人，硕士研究生，专业方向为微弱信号检测方法及仪器。

68中国测试2016年2月

研发时间并尽量提高用户的使用价值[2-4]。本文旨在采用虚拟仪器的设计思想，应用LabVIEW语言开发了方便扩展、升级和二次开发的上位机软件，同时针对微弱信号检测的高准确度、低噪声、大动态范围的特点，搭建了基于USB接口的24位数据采集硬件平台。

模拟信号输入

输入保护电路

无源滤波网络

程控衰减电路

程控放大电路

低通滤波电路

单端转差分电路

ADC驱动电路

1系统总体设计

本文采用24位Δ-Σ型ADC配合输入衰减器

图2模拟调理电路结构框图

和程控放大电路实现大动态范围的信号采集，低噪声的模拟调理电路和最高144kS/s的采样频率能够满足大部分信号采集的需求。不同于通常分时复用型的多通道转换器，两片具有8通道的ADC，可实现对16路差分信号的同步采集。依靠FPGA的高速并行处理能力，可同时读取16通道的采样数据，整合之后存入大容量FIFO。FPGA通过并行的控制总线、数据总线和地址总线与控制器交互。EZ-USB单片机通过USB总线与上位机相连，接收并解析上位机下达的指令，然后进一步控制FPGA完成采集板卡各功能模块的控制和数据的上传。上位机应用软件使用图形化语言LabVIEW编写，通过调用VC编写的动态链接库完成对底层的操作，实现了对采集过程的控制和对采集数据的存储、处理和显示。系统总体结构如图1所示。

用PGA205搭建程控放大电路，PGA205是低噪声、高输入阻抗的仪表放大器，具有很高的共模抑制能力，适合于差分输入弱信号的检测。作为前置放大器，其低噪声的特性能降低电路整体的噪声系数，并可由两个控制信号选择1、2、4、8倍的增益，实现程控放大。为了进一步缩小带宽，抑制通带外噪声，设计了二阶的低通滤波电路，考虑到ADC最高144kS/s的采样频率，为充分利用ADC的速率并考虑到采集板卡的通用性，将滤波器的截止频率设置为70kHz左右。仪表放大器输出为单端信号，而ADC需要差分输入，因此信号先经单端转差分电路，再通过驱动电路输入至ADC。

2.2ADC采集电路

德州仪器生产的8通道同步采样的24位Δ-Σ

型模数转换器ADS1278，具有最高144kS/s的采样频率，在高分辨率模式下，具有111dB的信噪比（SNR）和-108dB的总谐波失真（THD），适合于对准确度要

16通道数据采集电路

控制总线

求较高的应用。本方案选用两片ADC实现16路信

EZ-USB

上位USB机总线

FPGA

数据总线控制器地址总线

号的同步采集，使用2.5V基准源芯片REF5025为其提供参考电压，输入差分信号范围为+VREF～-VREF。通过改变时钟频率来改变数据输出速率，在高分辨率模式下关系式为：fCLK=fDATA×512。使用THS4524全差分、轨至轨放大器作为ADC的输入驱动器，将ADC的VCOM脚电压引出经过外部缓冲器输入给驱动器的VCOM端来设置输入信号的共模电平，如图3所示。

图1采集系统结构框图

2

2.1

系统硬件结构设计

模拟信号调理电路

对于微弱信号采集来说，选用高性能的ADC固

2.3

然重要，但同时也要针对具体信号特征设计适合的模拟调理电路，才能最大程度地抑制噪声，提高采集系统的总体信噪比。模拟电路的结构如图2所示，为保证板卡电气安全，输入端使用气体放电管、保险丝和瞬态抑制二极管设计了协同式防浪涌保护电路。为在电路前端抑制高频共模干扰，设计了RC匹配滤波网络，需要注意差分电路两个输入端电阻、电容值的匹配，减少因电路不对称对共模抑制能力的削弱。针对大动态范围的输入信号，为防止模拟电路饱和，使用继电器切换电阻的方式设计了程控衰减电路。选

FPGA控制电路

FPGA选用ALTERA公司的EP3C40Q240C8，ADS1278设置为SPI数据输出模式，每个通道对应一个DOUT数据输出端口，两片ADC共需要16根数据线与FPGA相连。当ADC的DRDY信号置低时，表明数据已经准备好被读取，在每个SCLK的下降沿，数据从DOUT引脚被移位输出，高位在前低位在后，24个SCLK周期后即完成了对24位数据的输出。读取16个通道数据以后，FPGA将数据拼接起来，写入缓冲FIFO。另外，FPGA还完成为ADC提供时钟、配置ADC工作模式、控制输入衰减继电器、配置程

控放大器增益等任务。

第42卷第2期史志辉等：基于虚拟仪器的高准确度同步采集系统69

1kΩ

1.5nF5VFX2

VIN+VIN-1kΩ1kΩ

+-THS4524

+-VCOM

49.9Ω49.9Ω

SlaveFIFO

AINN

2.2nFADS1278

TINPVCOM

×1

0.1μF

1.5nF

1kΩ

0.1μF

模式

IFCLKPKTENDFULLEMPTYSLWRFD［15∶0］FIFOADR［1∶0］

FPGA主控制器

图4SlaveFIFO模式信号连接示意图

图3ADC及驱动电路

3

3.1

系统软件设计

基于VC的动态链接库设计

本设计主要通过调用Windows提供的API函数

2.4USB接口设计

一个复杂测量系统往往需要进行多通道高速

实现对USB设备的操作，通过固定端点发送命令和接收设备的数据。动态链接库是USB端口和上位机软件之间的桥梁，通用性强。打开设备函数检查硬件并新建一个USB设备，接着初始化采集卡的采样率、采集模式等参数，开启采集之后即可通过获取数据函数读取数据。

数据采集，能否将数据快速、稳定地传输至上位机将直接影响到后阶段的数据处理[5]。USB总线具有较高的传输速率，支持即插即用和热插拔[6]，使用USB接口的采集卡可方便与笔记本电脑、工业控制计算机、平板电脑等设备相连，具有较大的灵活性。Cypress公司的EZ-USBFX2控制器集成了USB2.0收发器、智能串行接口引擎（SIE）、增强型8051内核、

3.2基于LabVIEW的上位机软件设计

LabVIEW是一种图形化编程语言的开发环境，

被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，专为测量、数据分析、结果显示而设计，在测试测量技术领域得到了非常广泛的应用[10]。本系统使用调用库函数节点模块来调用动态链接库，从而实现对底层的控制，这种方式面向应用设计，不必考虑底层的具体实现过程，尽可能发挥软件的作用，实现“软件即仪器”的思想。

软件系统结构如图5所示，参数设置包括输入衰减设置、程控放大器增益设置、通道数设置、采样率和采样点数设置。采集模式包括连续采集和固定采样点数采集，触发方式可以手动触发也可以由外部信号触发。数据处理部分添加了8阶的Butterworth型带通滤波器，阻带衰减较快，具有较好的通带平坦度，可以分别设置上下限截止频率，根据实际需要滤

4kB的FIFO存储器、I2C接口以及通用可编程接口（GPIF）[7]，可以实现USB2.0协议的高速数据传输，理论最快可达480Mb/s。本应用所选取的控制器型号为CY7C68013。

采集得到的多通道数据写入大容量FIFO中，为高速实时传输奠定了基础，USB数据在上位机和逻辑设备中传输，通常不需要FX2的CPU参与，而是通过FX2内部端点FIFO来传输，以达到较快的传输

速率[8]。本应用中数据单方向传送给上位机，因此只需要用同步方式写FIFO即可，接口连接如图4所示。

IFCLK为接口时钟，由FPGA提供。FD[15∶0]是FIFO的数据总线，FIFOADR[1∶0]引脚选择EP2、EP4、EP6、EP84个FIFO与FD总线连接。当写入事件发生时FIFOADR[1∶0]指向EP6，然后判断FIFO状态，如果满则等待，如果没满则读取数据到FD总线上，SLWR为写选通信号使能，数据在每个IFCLK时钟信号的上升沿被写入到FIFO。

FX2驱动程序使用Keil软件进行编写，提供USB设备的各种接口函数，为了加快开发速度，采用EZ-USBFX2系列的通用驱动程序框架[9]。数据端口选用USB的EP6，命令端口选用EP1。FX2解析上位机传来的命令字，进而通过控制总线对FPGA发送指令，

最终完成对硬件的操作。

采集系统应用软件

采集参数设置工程信息设置采集模式选择

文件存储采集控制

数字滤波器

时间序列显示频谱分析成图

图5应用软件框图

70中国测试2016年2月

除带外干扰，方便观察目标通带内的信号。另外，如果希望观察信号的频谱，可以使能FFT分析模块。

软件开始后首先打开USB设备，接着进行采集

幅值/μV10110010-110-210-310-4

00

101

102频率/Hz

参数的确认。开始采集之后软件就以包的形式不断读取数据，并将数据排入到队列当中。采用生产者消费者模式进行程序设计，读取数据和记录数据采用两个线程，文件存储模块读取队列将数据以二进制格式写入测量文件，显示模块将多通道数据送给波形图显示控件。

103104

4系统测试

为测试数据能否正确传输，使用信号源产生峰峰

图7短路噪声测试频谱图

值1V的正弦波，16个采集通道同时采集该信号，采样频率设置为最高的144kHz，采集软件可实时动态观察采集到的波形，不同通道使用不同颜色区分，

步采集电路，经测试表明系统具有较强的弱信号检测能力，在最高144kS/s的采样率下可以实现16路数据的实时传输、处理和显示。USB接口采集卡结合

16个通道采集波形相互重合，表现出较好的通道一致性。连续采集60s期间，观察正弦波曲线一直保持

连续，没有出现“阶跃”或者“跳点”现象，说明本系统可以保证多通道高速实时传输。

为测试仪器的噪声水平，将仪器输入端短路，设置采样频率32kHz，采样点数102400，不使用输入衰减，增益设置为8。采集得到的时域波形如图6所示，噪声峰峰值低于100μV，并且没有明显的直流偏移，说明采集系统具有较低的噪声水平。

10050幅值/μVLabVIEW上位机软件的设计，既兼顾了采集精度的

要求，又方便了仪器扩展和二次开发，为工业、医疗等领域的测试测量需求提供了快速、可靠的解决方案。

参考文献

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0-50

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0.5

1.0

1.5时间/s

-100

0

2.02.53.0

-335.[8]

张迦卫，翟成瑞.基于CY7C68013A的高速遥测数据采集系统设计与实现[J].科学技术与工程，2014，14（30）：181-

图6短路噪声测试时域波形

使用Matlab对数据进行快速傅里叶变换（FFT）运算生成频谱如图7所示。除了在50Hz工频干扰点和个别干扰频点噪声幅值较强，本底噪声在100

[9]

185.

吴越，严济鸿，何子述.多模式高速数据采集系统设计与实现[J].仪表技术与传感器，2013（3）：50-53.

Hz～10kHz范围内优于0.1μV，1～100Hz范围内优于0.3μV，说明仪器具有较强的弱信号检测能力。

[10]袁宝红，付奎，张德祥.基于FPGA和LabVIEW的USB数

据采集与传输系统[J].仪表技术与传感器，2013（9）：24-

5结束语

设计了低噪声模拟调理电路和24位多通道同

27.

（编辑：李刚）