基于ADS1256的地震數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

本文為大家介紹以ARM內(nèi)核S3C2440為處理器，24位自帶模擬開關(guān)的ADS1256芯片為A/D轉(zhuǎn)換和信號輸入通道選擇，利用其特性、工作原理來設(shè)計(jì)具有高精度、多通道、實(shí)時操作性強(qiáng)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路。數(shù)據(jù)通過橋式低通濾波輸入，有效地抑制了長導(dǎo)線共模信號，并且大大提高了整個電路抗電磁干擾能力，從而可以實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度、高質(zhì)量、低功耗和便攜式等特點(diǎn)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

電路總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用三星公司生產(chǎn)的ARM9系列S2C2440微處理器作為核心控制芯片，由地震檢波器輸出微弱、復(fù)雜的地震信號首先經(jīng)模擬信號調(diào)理電路的放大、跟隨以及濾波等處理后，再通過控制模擬開關(guān)進(jìn)行選擇通道，然后再應(yīng)用ADS1256進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，采集到的數(shù)據(jù)是通過SPI總線的方式送入海量存儲器中，以便以后查閱和分析。

模擬信號調(diào)理電路

模擬信號調(diào)理電路主要包括地震微弱信號的濾波、放大等。地震信號首先通過橋式低通濾波構(gòu)成的輸入電路，然后再通過前置放大電路。

輸入電路主要是起到RC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，壓制長導(dǎo)線傳輸中的共模信號，阻止高頻信號，提高抗干擾能力，另外也對接收進(jìn)來的妨礙有效波記錄的干擾波進(jìn)行壓制，電路原理如圖2所示。

前置放大電路主要由兩級組成，兩級采用直接耦合的方式連接，第一級把雙端輸入地震信號放大，然后單級輸出，再通過第二級差分線性放大器，轉(zhuǎn)換輸出方式，為A/D轉(zhuǎn)換提供雙端輸入差分信號，也進(jìn)一步的消除了輸入電路的共模信號，電路原理如圖3所示。為保證輸入端保持平衡狀態(tài)，第一級兩個輸入端對地的電阻值應(yīng)相等，為了降低共模電壓放大倍數(shù)，一般使R7=R8，R9=R10。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

采用ARM處理器控制ADS1256作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，ADS1256只能工作在SPI通信模式下。設(shè)計(jì)采用ARM處理器的通用I/O口來控制ADS1256片上寄存器，也可以通過串口讀/寫這些寄存器，通過控制ADS1256的CS端信號來選擇是否開始轉(zhuǎn)換。通過讀取DRDY引腳的電平來表示轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)完成，低電平時表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，高電平時表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換未完成。從DOUT引腳讀取最新轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，控制內(nèi)部模擬開關(guān)寄存器來配置四通道差分輸入，將AINO～AIN7作為輸入端，AINCOM不用，一般接地就可以，其中PSEN3～PSEN0為差分信號的正輸入端選擇位，NSEL3～NSEL0為差分信號的負(fù)輸入端選擇位。用ADCON寄存器來配置輸出時鐘、傳感器檢測選擇、程控放大倍數(shù)選擇，CLK1，CLK0為輸出時鐘選擇位。其中：00表示輸出時鐘關(guān)閉;01表示輸出fCLKIN;10表示輸出fCLKIN/2;11表示輸出fCLKIN/4，主時鐘由外部晶振提供，晶振選取7.68 MHz，PGA2～PGA0為程控增益放大器的放大倍數(shù)選擇位：000=1，001=2，010=4，011=8，100=16，101=32，110=64，111=128，可以根據(jù)信號的強(qiáng)度來來配置寄存器。DIR7～DIR0為數(shù)據(jù)速率選擇位，11110000=30 kS/s為默認(rèn)值。這樣可以通過軟件編程控制各個寄存器來靈活的配置所需要的時鐘輸出、傳感器檢測選擇、程控放大倍數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率等。其控制電路連接如圖4所示。

在PCB板布線時晶振必須靠近ADS1256，為保證起振并得到一個穩(wěn)定的頻率，須外接小于0.1μF的陶瓷電容，本系統(tǒng)取18 pF。

外圍接口電路

其主要接口電路包括觸摸顯示電路、存儲電路和上位機(jī)通信電路等，基本與開發(fā)板上的接口電路相似，這里只作簡單的文字?jǐn)⑹?。電路主要采用擴(kuò)展FLASH和SDRAM，用于系統(tǒng)的啟動和運(yùn)行程序的加載，其中FLASH用來保存用戶的程序代碼，SDRAM用來存儲程序運(yùn)行時的數(shù)據(jù)和少量數(shù)據(jù)。顯示部分采用平板型結(jié)構(gòu)的液晶顯示器件，它具有顯示信息量大、低壓、低功耗、長壽命、無輻射、無污染的優(yōu)良特性，其在顯示領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。一般使用間接訪問的方式來實(shí)現(xiàn)控制器芯片與液晶顯示模塊間的電路連接，液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)通常需要并行輸入，這里需要應(yīng)用串轉(zhuǎn)并器件來串/并轉(zhuǎn)換，為液晶顯示提供并行輸入，模塊的讀、寫、片選、復(fù)位等控制信號由S3C2440的通用I/O引腳控制。選擇高速USB總線傳輸技術(shù)的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。這種實(shí)現(xiàn)必須要在S3C2440和專用USB通信驅(qū)動芯片及外圍電路共同完成，為了方便USB接口的硬件調(diào)試，還須增加一個RS 232接口。