摘 要：本文介紹了一種soc單片機控制的多功能數(shù)據(jù)采集卡，在輸入通道中增加程控濾波、程控增益放大器和多級陷波電路，采集卡的功能選擇和參數(shù)改變均由soc單片機軟件控制。本文給出了關鍵部分的電路圖、元件參數(shù)和實測數(shù)據(jù)。

    關鍵詞：soc 單片機；程控放大；程控陷波

    引言

    目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集卡并不能適應工業(yè)控制現(xiàn)場或像野外那樣存在多種噪聲干擾的使用環(huán)境，特別是對50hz工頻干擾及其諧波干擾無法起到抑制作用。在這種情況下，采集到的數(shù)據(jù)往往有很多錯誤或者采集卡無法正常工作。

    本數(shù)據(jù)采集卡與以往數(shù)據(jù)采集卡相比增加了諸多功能。采用與以往數(shù)據(jù)采集卡不同的結(jié)構(gòu)：給輸入通道增加了程控濾波環(huán)節(jié)，即前置濾波器的中心頻率及50hz工頻及其諧波頻率陷波器的選擇都采用單片機軟件控制，可根據(jù)現(xiàn)場需要進行選擇，以適應不同環(huán)境。同時本采集卡運用soc設計思想，使用cygnal公司新推出的c8051fxxx高速單片機，在片內(nèi)實現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換及a/d轉(zhuǎn)換。這樣既減小了硬件開銷又縮短了數(shù)據(jù)傳送距離，還能進一步抗干擾，而且不用更改硬件電路，就可對采集卡的功能進行更改或擴展。

    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    多功能數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    采集卡共用八個模擬輸入通道，每個輸入通道都具有獨立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級陷波器。其中每個帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個濾波器是否需要接入電路也可由單片機控制。程控增益放大器的放大倍數(shù)可由單片機分檔控制。模擬信號經(jīng)過濾波、放大電路后，在進入單片機進行a/d轉(zhuǎn)換之前需經(jīng)過多級陷波器以消除50hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級數(shù)也可由單片機根據(jù)使用環(huán)境選擇。采集卡的控制核心是soc單片機c8051f020，其內(nèi)部集成有12位100ksps逐次逼近型adc和8選1模擬多路選擇器。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過epp接口送到上位機。

    程控濾波器原理及電路

    本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級相同的濾波器級聯(lián)而成，每級由三個高精度、低失調(diào)、低噪聲運放op07和兩個12位電流輸出dac ad7533構(gòu)成。將ad7533的iout2引腳接地，則其vref和iout1兩個引腳之間等效為一個受data9~data0控制的電阻網(wǎng)絡，等效電阻為：，其中r為dac芯片電阻網(wǎng)絡的單個等效電阻值，對于ad7533為10kw；n為dac的位數(shù)，對于ad7533，n=12；d為data9~data0對應的二進制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當取r1=r2=r4=rg=50kw；c1=c2=0.0156mf；rq=12.5kw時，中心頻率用soc單片機的p1口和p4.0、p4.1控制data0~data9，就可通過改變data0~data9的數(shù)值改變req，進而改變?yōu)V波器的中心頻率。

    將兩級電路級聯(lián)起來，構(gòu)成圖2中的完整電路，可以進一步提高品質(zhì)因數(shù)。表1中列出了d取不同值時，實際測得的中心頻率和-3db處的頻率，反映出該電路不但可以高精度地控制中心頻率，而且具有很高的q值。

    陷波器電路

    50hz交流電干擾是數(shù)據(jù)采集中不可避免的嚴重問題，采集電路中必須設置50hz陷波器，將以差模形式串入的50hz及其諧波濾除。

    圖3為二階雙t型50hz陷波器電路，陷波深度-40db以上，q值約為3。取r1＝r3＝r和c1=c2=c3=c時，陷波器的中心頻率為：，r1=r3=45kw和c1=c2=c3=0.1mf時，中心頻率為50hz；取r1=r3=45kw和c1=c2=c3=0.033mf時，中心頻率為150hz；取r1=r3=45kw和c1=c2=c3=0.02mf時，中心頻率為250hz。這樣就構(gòu)成三級陷波器，每級陷波器又受一單刀雙擲模擬開關adg419控制，soc單片機可選擇將哪一級或哪幾級陷波器接入電路。該電路經(jīng)過測試與實際應用，證明對50hz及其諧波具有極好的抑制能力。

    程控增益放大器

    程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器pga202，它具有較高的共模抑制比(增益為1時，cmrr優(yōu)于80db)，單位增益帶寬為1mhz。其可編程增益有×1、×10、×100和×1000四檔，受a0、a1兩引腳控制，將這兩個引腳接入soc單片機的i/o口，即能實現(xiàn)單片機對pga202增益的控制。

    c8051f020單片機內(nèi)部集成adc

    c8051f020內(nèi)部集成有12位的adc0，其轉(zhuǎn)換速率最大可達100ksps，與內(nèi)部8選1 mux結(jié)合起來使用，即可構(gòu)成8通道的adc。初始化adc0時，8051內(nèi)核對特殊功能寄存器amx0cf寫0x60、對adc0cf