基于EM9170+ETA108的低成本多通道波形采集方案

提到波形采集，對于一個(gè)硬件工程師來講，可能馬上就有想到這樣一個(gè)方案：首先用一片FPGA/CPLD來實(shí)現(xiàn)操控AD芯片的各種邏輯時(shí)序，重要的是產(chǎn)生精準(zhǔn)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘的頻率在一個(gè)范圍內(nèi)可能是需要連續(xù)可調(diào)的。由于波形采集是連續(xù)不間斷的對模擬信號進(jìn)行AD采樣，所以可能還需要一個(gè)大容量的FIFO或雙口RAM，以對采集的數(shù)據(jù)做臨時(shí)的存儲。另外還需要一個(gè)主控板，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲甚至對波形進(jìn)行回放。這個(gè)主控板還需要提供一個(gè)外部中斷和一個(gè)高速的總線接口，以便實(shí)時(shí)的讀取采集數(shù)據(jù)，考慮到頻繁的中斷對系統(tǒng)性能的影響，可能還需要主控板提供DMA功能并提供相應(yīng)驅(qū)動(dòng)支持……

按照上面的思路，確實(shí)能實(shí)現(xiàn)高速高性能的數(shù)據(jù)采集，但要做出這樣一個(gè)產(chǎn)品，花費(fèi)的成本可見一斑。其實(shí)，在很多應(yīng)用場合，用戶并不需要很高的采樣率，但要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的、精確時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)采集。比如電力諧波分析，50Hz的工頻信號，按5Ksps采樣率進(jìn)行波形采集，就可獲得達(dá)到49次的諧波，能滿足大多數(shù)的應(yīng)用。下面就介紹一個(gè)成本低，但性能不打折的波形采集方案。

本方案以我們的工控主板EM9170和波形采集模塊ETA108構(gòu)成，如圖1所示：

圖 1：EM9170 + ETA108 波形采集

圖1中EM9170是英創(chuàng)公司推出的400M ARM9 WinCE工控主板，相比英創(chuàng)的經(jīng)典產(chǎn)品EM9161，EM9170的性能有很大提升并加入了很多新的特性，比如操作系統(tǒng)升級到WinCE6.0，文件系統(tǒng)采用了BinFS文件系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間也控制在了7S之內(nèi)；CPU主頻提升到400M，主板平均工作電流<150mA。重要的是，作為EM9161的升級版，在性能提升的同時(shí)，價(jià)格與EM9161保持一致。

ETA108是為了進(jìn)一步支持EM9170在儀器儀表，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域應(yīng)用，同時(shí)也是為了方便客戶使用而推出的一款低成本高性能AD采集模塊。ETA108的主要性能如下：

? 8通道單端輸入或4通道差分輸入

? 單極性輸入量程0~4V或雙極性輸入量程±2V

? 每通道具有獨(dú)立的高阻抗增益放大器(PGA),可實(shí)現(xiàn)各種傳感器之間的直接接口連接，并支持用戶配置通道增益(Gain=1/2/4/8)

? AD轉(zhuǎn)換精度12bit

? AD最高采樣速度100ksps

? 可選擇多種平均操作模式，使輸出AD精度達(dá)到14bit

? 單5V供電

ETA108的外形尺寸僅為48mm×33mm，帶有堅(jiān)固插針，客戶可把ETA108作為獨(dú)立模塊，直接插入其應(yīng)用底板上，快速構(gòu)建客戶整機(jī)產(chǎn)品。相比英創(chuàng)公司的其他數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展模塊，ETA108的一個(gè)主要特點(diǎn)是支持硬件周期脈沖觸發(fā)AD采集，因此ETA108非常適合應(yīng)用于要求高精度采樣間隔的波形數(shù)據(jù)采集。

圖2是由EM9170與ETA108構(gòu)成的波形采集系統(tǒng)原理框圖。ETA108每通道獨(dú)立的高阻抗增益放大器(PGA)，可實(shí)現(xiàn)各種傳感器之間的直接接口連接。同時(shí)，可支持單端或差分信號的采集。在與M9170配合使用中，使用了EM9170的高精度PWM信號作為其AD啟動(dòng)時(shí)鐘，方便的實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間間隔采樣。采樣率從1Hz到100Khz連續(xù)可調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)ETA108的高速數(shù)據(jù)采集，在其驅(qū)動(dòng)程序中，充分利用了EM9170的高性能DMA技術(shù)，從而保證了ETA108與EM9170主板之間僅靠簡單的4線制SPI接口就實(shí)現(xiàn)了硬件連接，最大限度地降低了ETA108的硬件成本。同時(shí)，DMA技術(shù)的引入，也將數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)性能的影響降到最低。EM9170對各式彩色LCD屏提供了良好的支持，方便用戶直觀的對采集波形進(jìn)行分析、比較。

ETA108的驅(qū)動(dòng)程序，以簡單易用的原則導(dǎo)出了幾個(gè)接口函數(shù)供客戶使用，我們將在這個(gè)方案后續(xù)的文章中詳細(xì)介紹這些函數(shù)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，ETA108驅(qū)動(dòng)程序支持單次采樣模式和連續(xù)采樣模式。

成本分析：在我們提供的整機(jī)方案中，通常會加入成本分析一項(xiàng)，目的是為了方便客戶快速、直觀的評估這個(gè)方案是否適用于客戶自己的產(chǎn)品。本波形采集方案中，EM9170工控主板百片批量價(jià)為￥480/片，客戶自行采購7”TFT LCD，價(jià)格大約在￥300元左右，加上我們的AD模塊ETA108和客戶應(yīng)用底板、電源，整機(jī)成本可控制在千元之內(nèi)，遠(yuǎn)低于其它同類產(chǎn)品。

此方案可廣泛應(yīng)用于多通道波形記錄儀、電力諧波分析、故障錄波、振動(dòng)信號分析、瞬態(tài)信號采集、通用數(shù)據(jù)采集等多種應(yīng)用領(lǐng)域。

該方案的軟件圖形界面實(shí)現(xiàn)方法參閱如下文章：《低成本多通道波形采集顯示方案的軟件實(shí)現(xiàn)方法》。