多通道高精度数据采集模块的设计

摘要

在信息时代以来，军事应用、航空航天及工业控制等领域对多通道高精度的数据采集系统表现出浓厚的兴趣。传感器技术与计算机技术的进步带动了数据采集系统向着精度高、速率快、多通道和微型化的方向快速发展。 本课题着重于数据采集系统的应用研究，根据采集信号的要求提出了高精度，多通道的设计要求，并给出本课题的指标要求。本文对数据采集系统进行理论分析与方案评估，并最终确定总体设计方案。该方案采用由总体到部分的设计思想，将总体模块划分为不同的功能模块。最终整合各功能模块完成整体设计，实现了具有多通道、高精度的数据采集系统。本课题的主要任务有以下几点： 1. 从本课题的多通道和高精度的设计要求，结合需要采样的信号种类，设计了两种不同的差分通道模数转换电路。使用AD7768实现八路差分通道和万分之三的采样精度，使用微处理器的内置ADC实现四路差分通道和万分之五的采样精度； 2. 针对高精度数据采样系统的要求，设计了高动态范围、高信噪比、高带宽和可程控放大的信号调理电路； 3. 针对该电路整体特性，设计了 ARM+FPGA 组合控制方式，来有效提升系统整体控制性能； 4. 通过研究系统总体程序流程，设计了模块自检流程和系统通讯传输协议。对自检、模数转换和数字传感驱动等过程中进行数据上传与控制命令发送时用到的数据帧与应答帧给出详细设计； 5. 通过对数据采集性能技术的研究，分析通道误差产生的原因，并设计完成了对通道误差的校正方法，以提高数据采集模块性能； 根据功能模块的调试结果分析，本文的电源模块，信号调理模块，通讯模块以及数字传感器模块均符合本课题指标。分析模数转换模块的多项测试数据指标，验证了课题设计方案的可行性，说明本文设计的多通道高精度数据采集系统能够满足课题指标需求。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.3 课题研究目标和主要任务

1.4 本文结构安排

第二章 数据采集模块总体设计

2.1 数据采集系统概述

2.2 数据采集模块指标

2.3 数据采集模块硬件总体设计

2.3.1 信号调理电路设计方案

2.3.2 模数转换电路设计方案

2.3.3 控制电路设计方案

2.4 数据采集模块软件总体设计

2.5 本章小结

第三章 数据采集模块硬件设计

3.1 硬件电路整体设计

3.2 信号调理电路设计

3.2.1 电流转电压信号电路设计

3.2.2 程控放大电路设计

3.2.3 低通滤波电路设计

3.3 模数转换电路设计

3.3.1 八路差分模数转换电路设计

3.3.2 四路差分模数转换电路设计

3.4 控制电路设计

3.4.1 调理通道控制电路设计

3.4.2 数据采集控制电路设计

3.5 电源电路设计

3.6 本章小节

第四章 数据采集模块软件设计

4.1 软件总体设计

4.2 模块自检设计

4.2.1 通信自检设计

4.2.2 模数转换自检设计

4.3 模数转换驱动设计

4.3.1 八路差分模数转换驱动设计

4.3.2 四路差分模数转换驱动设计

4.4 数字传感器驱动设计

4.4.1 温湿度传感器驱动程序设计

4.4.2 数字陀螺仪驱动程序设计

4.5 串口通信协议设计

4.5.1 控制命令协议设计

4.5.2 应答命令协议设计

4.6 通道误差校正软件设计

4.7 本章小节

第五章 数据采集模块调试与验证

5.1 测试平台介绍

5.2 功能模块调试

5.2.1 电源模块调试

5.2.2 信号调理电路调试

5.2.3 通信模块调试

5.2.4 数字传感器模块调试

5.3 测试信号分析

5.3.1 四路差分通道数据采集模块测试

5.3.2 八路差分通道数据采集模块测试

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果