2019, Vol. 45文章信息
- 徐聪辉, 李彩, 张振昭
- XU Conghui, LI Cai, ZHANG Zhenzhao
- ADS1262多通道数据采集系统设计
- Design of multi-channel data acquisition system based on ADS1262
- 中国测试, 2019, 45(9): 112-117
- CHINA MEASUREMENT & TEST, 2019, 45(9): 112-117
- http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2018120088
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文章历史
- 收稿日期: 2018-12-21
- 收到修改稿日期: 2019-03-28
, 2. 中国科学院大学，北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
海洋光学中，体散射函数是描述光在水体中某一散射体上散射光角度分布的一个重要的固有光学特性参数。利用体散射函数及吸收/衰减系数可以推算得到水体及其组分的所有特征性固有光学特性参数及遥感反射率。其在水色遥感[1]、水下军事目标跟踪[2]、生态系统建模及近海灾害的预警预告[3]等领域中有着重要的研究意义，体散射函数，尤其是覆盖0°~180°范围的广角水体体散射函数测量是水体光学特性研究中一个十分棘手的国际难题，这主要归因于散射光信号强的方向性[4]，能量主要集中在前向小角度，后向能量极其微弱，前后向不同角度甚至不同海区同一角度散射能量相差可达5个量级，其中90°~120°散射光能量最微弱，要求探测系统必须具备纳瓦级微弱光信号探测能力。
目前对水体体散射函数的测量主要基于单一探测器机械转动式和多探测器同步阵列式两种测量方式[5]，转动式测量技术基于单一光源、单一探测器，通过旋转光源或探测器实现0°~180°范围不同角度散射通量及体散射函数的测量，该测量方式虽具有较高的角度分辨率，但测量仪的重复性较差，测量频率低，功耗较高，不适用于水下原位测量，阵列式探测技术基于在不同方向固定安装探头来实现不同角度光通量同步采集（即多通道测量），具有速度快、重复性和可靠性高等优势[2, 6]。
本文在采用硅光电倍增管解决宽动态范围微弱光高灵敏度探测的基础上，设计了一款基于ADS1262和STM32单片机的多通道高精度数据采集系统，该系统可实现20通道模拟信号的高精度量化及实时存储，数据可根据需要实时或后下载至上位机进行分析处理。数据采集系统具有精度高、功耗低、适应性强等优点，可适用于各种精密仪器仪表及传感系统。
1 数据采集系统硬件设计数据采集系统硬件结构如图1所示。硬件主要由高精度模数转换模块、数据存储模块、电源稳压模块、测量及供电控制模块等核心功能模块组成。
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| 图 1 数据采集系统硬件结构框图 |
数据采集系统中，为实现水体10°~170°范围内17个角度体散射通量、0°透射（衰减系数）及1路光源参考光共19路光信号的快速同步测量，模数转换模块采用了两片ADS1262支持20通道模拟信号的快速转换。
为提高转换精度，在ADS1262外围电路设计中，将数字模拟信号区域完全独立，对两个区域做独立的布线与隔离处理，在连接处大量地使用钽电容做旁路以增强波纹抑制能力，对电源线和地线进行适当加宽与敷铜处理，PCB布线时，尽量缩短高频器件的连线长度以减少电磁干扰[7]。此外，由于ADC电源的稳定性对输出结果的精度有较大影响，采用了低输出噪声5 V稳压芯片ADM7150ARDZ-5.0，在稳压器输入与输出端添加电容，提高电源输出的稳定性。
系统采用嵌入式单片机STM32F103RE作为CPU[8]，其硬件上实现SPI、SDIO、I2C串行接口，方便与不同接口的外围芯片及设备进行通信。STM32F103RE基于SPI控制ADS1262进行模数转换、实时读取转换结果并对其整合分帧后快速存入MicroSD卡或通过RS232实时上传至上位机，缓存入MicroSD卡的数据可根据需要选择上传至上位机进行数据处理和分析，STM32F103RE与MicroSD卡之间采用SDIO通信模式，读写速度（2 MB/S）为SPI模式的4 倍以上。为增强数据采集系统的可扩展性和通用型，基于STM32F103RE内置的16通道12位ADC，采集系统预留了16路模拟输入接口。为便于实时记录仪器水下工作深度及水温，系统设计了温深度传感器数据接口，可实时采集水温和深度信息并进行分析和存储。
供电控制通过STM32F103RE内置的RTC时钟控制实现，RTC内部的备份寄存器BKP可记录采样时间、采样间隔，可利用RTC时钟的闹钟中断控制通断电。
数据采集系统的稳压模块可提供12 V、5 V、3.3 V直流稳压输出。
2 ADS1262结构及转换精度控制 2.1 主要控制寄存器及功能说明图2所示为ADS1262内部功能与主要引脚结构。ADS1262含有21个8位工作寄存器，这些寄存可直接被读写，表1所列为ADS1216中寄存器地址及其功能。下面对ADS1262中几个关键寄存器及其配置进行介绍[9-10]。
| 地址 | 名称 | 主要功能 |
| 00h | ID | 芯片ID号 |
| 01h | POWER | 内部参考电压及复位状态显示 |
| 02h | INTERFACE | 数据中STATUS字节及CRC字节的选择 |
| 03h | MODE0 | 测量模式、自稳零模式与启动转换延时选择 |
| 04h | MODE1 | 数字滤波摸式选择及传感器偏置电流源配置 |
| 05h | MODE2 | PGA增益系数与ADC采样速率选择 |
| 06h | INPMUX | 模拟信号输入的多路选择 |
| 07h-09h | OFCAL[2:0] | 校正后，存储ADC起始偏移值 |
| 0Ah-0Ch | FSCAL[2:0] | 校正后，存储满量程增益系数值 |
| 0Dh | IDACMUX | 双激励电流源模拟输入多路选择 |
| 0Eh | IDACMAG | IDAC1与IDAC2的激励电流大小选择 |
| 0Fh | REFMUX | 外部参考电压的输入多路选择与极性设置 |
| 10h | TDACP | TDACP引脚连接及测试电压大小的选择 |
| 11h | TDACN | TDACN引脚连接及测试电压大小的选择 |
| 12h | GPIOCON | GPIO口引脚连接设置 |
| 13h | GPIODIR | GPIO口引脚输入或输出选择 |
| 14h | GPIODAT | GPIO口电平状态显示 |
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| 图 2 ADS1262内部功能与主要引脚 |
MODE1、MODE2寄存器。MODE1寄存器的高三位选择ADS1262的滤波模式（5种：FIR, SIN1~SIN4），低四位选择ADS1262的偏置电流及极性。MODE2寄存器高四位用于可编程放大器（PGA）设置。低四位设置ADC采样速率(2.5 S/s~38 400 S/s)。
OFCAL[2:0]与FSCAL[2:0]寄存器组。OFCAL[2:0]与FSCAL[2:0]用于ADS1262偏移和满量程校正，ADS1262可根据OFCAL[2:0]与FSCAL[2:0]中的校正系数对数据进行自动校正。
INTERFACE寄存器。用户通过配置INTERFACE寄存器中INTERFACE.2和INTERFACE.0位决定数据帧长度，即是否输出STATUS状态字节和CRC字节，数据帧最长为6字节，最短为4字节，STATUS字节包含当前输出数据是否曾被读取，PGA输出是否溢出，ADC复位状态等重要信息。
2.2 ADS1262滤波模式、采样速率选择多通道数据采集模式下，通道切换的建立时间对数据转换速率有较大影响，这一建立时间与ADS1262的滤波模式、采样速率、斩波自稳0模式（chop模式，自校正失调电压）密切相关，ADS1262滤波阶数增加，采样速率的降低、斩波自稳0模式的开启可增强去噪能力，但会导致通道建立时间增加。
数据采集系统基于自主研发广角水体体散射函数测量仪需求设计[11]。为实现多角度体散射函数的快速测量，测量频率应不低于10 Hz，即对应数据输出速率为190 S/s（一组数据包含19个通道的数据）。为同时满足A/D转换精度（≤1 μV）和转换速率（≥190 S/s），设置不同采样速率、滤波模式及自稳0模式开关，利用STM32内部Systick时钟计时，通过串口接收A/D转换数据实际输出速率，对满足数据输出速率大于190 S/s的不同配置情况进行统计，得到5种可满足应用需求的模式组合方式。以实验室高精度稳压电源（准确度10 μV）作为模拟输入，利用高精度万用表（准确度0.1 μV）作为同步监控，统计不同模式配置情况、不同输入电压下A/D转换结果的标准差并进行线性拟合。
由图3可看出，在满足频率要求的前提下，当滤波模式选择sinc3、A/D采样率设置为1 200 S/s且开启斩波自稳0模式时，输出数据最稳定，r2也最接近1。根据单极性0输入下（输入电压为0表示模拟输入对地短接）的数据结果进行计算[12-13]，该配置情况下ADS1262的有效位可达23 bits，单通道2.5 S/s采样速率，sinc4滤波模式下，有效位数可达26 bits。有效位数的判定是以连续15次ADC输出值的最大误差Δ计算[13]（Δ为输出值的最大值与最小值之差，根据
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| 图 3 不同配置下ADS1262数据精度 |
| ${\rm{ENOB}} = \left[ {24 - \left( {{{n}} - 1} \right)} \right]\frac{{\rm{\Delta }}}{{{2^n} - 1}}$ | (3) |
由于不同角度散射光辐射能量相差很大，不同通道测量时需设置不同的PGA增益系数，需要对两片ADS1262在不同PGA增益情况下分别进行校正。校正过程中，首先将ADS1262输入引脚分别进行浮空和对地短接设置，通过单片机向ADS1262发送对应的偏置误差校正命令，经内部16次测量自动平均后，起始偏移误差被写入寄存器OFCAL[2:0]中。对于增益系数校正，以PGA=1为例，在偏移误差校正后，将ADS1262的PGA增益设置为1，利用高精度稳压电源，向ADS1262的模拟输入端输入满量程电压2.5 V（
| ${\rm{FSCAL}}\left[ {2:0} \right] = 0{\rm{x}}3{\rm{FF}}451{{ \times }}2.49984/2.5 = 3{\rm{FF}}344{\rm{}}$ | (1) |
最终的A/D转换数字量将根据OFCAL[2:0]和FSCAL[2:0]这两组校正寄存器中的值自动进行校正，公式表达为：
| ${\rm{Final}}\;{\rm{Oput}} \!=\! \frac{{{\rm{}}\left( {{\rm{Filter}}\;{\rm{Oput}} \!-\! {\rm{OFCAL}}\left[ {2:0} \right]} \right)\!\times\! {\rm{SFCAL}}\left[ {2:0} \right]}}{{400000}}$ | (2) |
对比校正前与校正后ADS1262转换数据的误差，得到图4所示的结果，校正后的结果比较理想。
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| 图 4 ADS1262校正结果对比 |
3 数据采集系统软件设计
以数据采样系统在自主研发的广角水体体散射函数剖面测量系统中应用为例，根据体散射函数剖面测量仪的工作性能要求，软件系统需要配合硬件完成以下功能：
1）支持仪器自动采样与手动采样两种模式。手动采样模式主要用于实验室内仪器定标和性能测试；自动采样模式主要用于仪器剖面测量。自动和手动模式在开机后通过判断预定时间段内是否接收到相关指令为依据。
2）仪器具有入水下放过程自动采样自容存储、上提自动断电功能，避免有限电能及存储空间浪费的同时也可以确保存储数据的有效性，减轻后续数据处理的压力。
基于以上要求，设计如图5所示的软件工作流程。图中，CPU上电进行初始化后进入等待延时程序，若在3 min内没有接收到上位机的手动测量指令，仪器将进入到自动采样模式，两片ADS1262（分别用ADC1、ADC2区分，ADC1用来测量0°~90°透射光与散射光通量，ADC2用来测量100°~170°散射光及1路光源参考光）的RESET/PWDN引脚被置高使ADS1262进入PowerOn状态，拉低ADC1的CS引脚对其选通进行内部控制寄存器配置，具体包括：输入通道、PGA、采样速率、滤波模式与自稳0模式等。配置成功后，将ADC1的START引脚置高，启动A/D转换。当ADC1完成一次转换后DRDY引脚自动置低，在外部中断函数中转换数据被读取，切换测量通道并重新设置PGA重复上述A/D转换过程，当ADC1完成10个通道转换后，对ADC2进行片选、寄存器配置、不同通道A/D转换及数据读取，如此循环，完成19路信息的快速转换。
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| 图 5 数据采集系统软件控制流程 |
STM32F103RE采用双缓冲数组的方式对数据进行缓存，当采样数达到5组时相关标志位置位，程序进入到主函数，标志位清零，对数据进行存储。软件设计中采用基于FATFS文件系统的SDIO模式将数据以二进制的形式快速存储MicroSD卡中，最大限度提高数据的读写速率。
自动采样模式下，仪器的采样依据深度信息进行自动控制，采集系统初始化完毕后进行深度信息采集，当深度大于预定值（0.5 m，保证仪器完全没入水中），仪器启动采样，当采样数达到五组后，在主函数中对深度信息进行采集并判断仪器所处的状态，若STM32F103RE判断到仪器处于上提回收过程时，其内置时钟中断生效，控制仪器自动断电。
4 采集系统测试 4.1 功耗测试数据采集系统采用ADM7150RDZ-5.0稳压芯片为ADS1262的模拟电源提供5 V输入，采用LT3080稳压芯片STM32和ADS1262提供3.3 V数字电源输入。5 V输入电压，工作状态下数据采集系统的平均功耗约为355 mW。
4.2 误差测试配合高精度稳压电源与高精度万用表（读数取6位，最高精度6位半），将转换结果（AD转换结果为5次测量结果的均值）与输入电压进行比较，测量误差为微伏级别，输入电压在100 mV~2 V时，测量误差一般小于1 μV，满足数据采集系统的高精度测量要求（动态范围达到5个量级以上），表2表示采集系统测量的误差结果。
| 输入电压/mV | 转换结果/mV | 误差绝对值/mV |
| 1.045 | 1.051 82 | 6.82×10–3 |
| 10.038 | 10.032 56 | 5.44×10–3 |
| 100.036 | 100.037 12 | 1.12×10–3 |
| 300.019 | 300.018 13 | 8.70×10–4 |
| 500.013 | 500.012 05 | 9.50×10–4 |
| 700.015 | 700.014 28 | 7.20×10–4 |
| 1 000.078 | 1 000.077 08 | 9.20×10–4 |
| 1 500.089 | 1 500.098 62 | 9.62×10–3 |
| 2 000.054 | 2 000.052 99 | 1.01×10–3 |
| 2 300.026 | 2 300.022 64 | 3.36×10–3 |
5 结束语
基于ADS1262和STM32设计的高精度多通道数据采集系统可实现20路模拟信号的高精度实时采集量化及自容式存储，数据可根据需要实时或后下载至上位机进行分析和处理。系统具有多通道、低功耗、高精度等特点，采样频率、精度及通道数均可根据需要进行灵活的配置和优化，采集卡接口丰富，所设计的控制软件对所有STM32系列单片机均具有较高的移植性，系统功能易于拓展，可适用于各种要求宽动态范围模拟信号的量化处理及存储系统，具有很好的扩展性和广泛的适用性。
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