基于USB总线的24位数据采集系统设计

张圣坤,赵连洲

中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室 266555

【文章摘要】：针对当前国内高精度高分辨率数据采集系统产品缺乏，当采样率为几百kHz时，市场上的数据采集系统有效位数普遍低于或等于16位，同时现有的高分辨率数据采集系统大都价格十分昂贵等问题。本文设计了以STM32F4高性能、低成本的嵌入式主控为核心的数据采集系统，通过设计合理的调理电路及电源电路，并合理调用嵌入式主控的DMA功能，可有效减少主控核心的占用时间，实现了高分辨率下的高速率数据采集。

【关键词】：数据采集；高分辨率；低成本；直接访问内存

引言

数据采集技术在信息采集、自动控制等领域有着广泛的应用[1]。基于计算机的结合先进数字信号处理技术的数据采集系统更是科研人员的重要工具，不但广泛应用于电力设备监控、遥测遥感等测控领域，在声纳、雷达、通讯、地质、医疗器械等领域中也有着非常重要的作用[2]。

对于整个控制系统来说，传感器的输出信号大都非常微弱，因此大动态范围的数据采集系统成为在传感器构成的控制系统以及科研工作下必不可少的测试工具[3]。这些实际应用对数据采集系统的速度、分辨率及可靠性等都提出了很高的要求，因此在这些应用场合都需要具有高采样速率、高分辨率的数据采集系统，高速、高分辨率数据采集成为数据采集技术研究的热点。

1 总体方案设计

待测信号通过BNC接头进入信号调理模块，信号调理模块主要功能为放大和滤波，放大电路设计为全差分放大电路，放大电路放大倍数可调，可实现对毫微伏级信号的采集，滤波电路设计为将输入至ADC模拟通道的信号带宽限制在ADC最大采样带宽范围内，从而尽可能减小高频噪声，通过元件手册与ADC内置运放设计了抗混叠滤波器实现差分放大。调理后的信号通过基于AD7760的模数转换电路进行转换，同时设计基于STM32F4处理器的控制电路实现对于信号的采集，最后设计基于USB3.0的用户接口电路，主要由USART-TTL转USB通信电路、高速USB3.0接口电路和仿真下载接口电路组成。其中USART-TTL转USB通信电路负责主控与计算机的串口通信，主要传输指令、状态信息等；USB3.0接口电路负责高速传输ADC采集到的数据，速率可达2MByte/s，为主要传输接口；仿真下载接口电路负责主控程序的下载烧录以及软件调试。

2 全差分放大电路设计

由于输入的信号可能为微伏级别的微弱信号，故需要放大器对该信号进行预放大。但该ADC芯片为差分输入，若使用普通仪表放大器作为差分信号放大会导致输入ADC的信号变为单端信号，故需使用全差分放大电路。该全差分放大电路主要由两个INA129仪表运放组成，将两个仪表运放与差分输入端子并联，其输入与输出的关系公式为：

                                                          （1）

其中，根据INA129手册，增益G的计算公式为：

                                                                    （2）

为了使微伏级别的微弱信号通过全差分放大电路后，达到与ADC量程的最佳匹配，故取RG≈499Ω，此时G=100，输入的1uV-1mV的微弱信号均可正常放大并匹配至ADC的量程中。

图1 全差分放大电路

3 抗混叠滤波电路设计

为了将输入至ADC模拟通道的信号带宽限制在ADC最大采样带宽范围内，从而尽可能减小高频噪声，故通过手册将ADC的内置运放设计了抗混叠滤波器。根据ADC技术手册，该放大器为差分放大器，经过配置后变成一阶抗混叠滤波器[4]。

根据手册可以得知适用于该一阶滤波器的合适元件值，最终各元器件按标准器件值取值在该条件下，滤波器在19MHz的第一个混叠点可实现10dB的衰减[5]。抗混叠滤波电路如图2所示。

图2 抗混叠滤波电路

4 低噪声抗干扰电源电路设计

由于ADC需要多组模拟电源AVDDx及数字电源独立供电，为了保证ADC的性能，并尽可能的减少器件数量，模拟电源部分采用LDO+多级滤波的形式构成多路模拟电源供电电路。电源芯片采用转换效率较高的低压差低噪声线性稳压芯片，总电源供给设置为7.5V，在总电源线上加入一颗二极管（位号：D1）用于防反接，和一颗馈通电容滤波器，以保护后续电路以及对输入电源进行滤波；总电源分为两路，一路由一颗稳压芯片转换为2.5V电源，后续电路分为三路，每一路分别加入普通滤波电容与馈通电容滤波器，分别为VDRIVE、AVDD1、DVDD供电；另一路由一颗稳压芯片转换为5V电源，后续电路分为三路并同样分别加入普通滤波电容与馈通电容滤波器，分别为AVDD2-AVDD4供电。该种电源设计可以大幅提高ADC电源的稳定性与抗干扰能力。

图3 模拟电源电路

数字电源电路设计，该部分电源设计基本与ADC独立电源电路类似。两颗稳压芯片分别产生5V与2.5V电源，5V电源又经过662k这颗LDO产生3.3V电源，最终三路电源为主控等其余数字电路供电。不同点在于该部分供电是为除ADC外其它电路提供电源，最大程度上降低对ADC的影响。

图4 数字电源电路

5数据采集及系统控制传输电路设计

数据采集及系统控制电路由STM32F4及其外围电路组成，主要负责与ADC的控制命令和收发数据的高速交互，并及时将信息通过USB接口反馈给用户。该部分的外围电路主要包含主控时钟电路、主控复位电路及主控电源滤波电路。ADC外部复位电路由复位监控芯片以及双与门及其外围电路组成，用于对ADC进行自动或手动复位，其中CED_RESET接至主控的GPIO。系统上电时，复位芯片会自动为ADC复位；系统正常运行时，若需要手动复位，可按下KEY1进行复位，或使主控拉低CED_RESET进行复位。控制电路采用STM32芯片，相比于传统的FPGA芯片实现了成本的降低，在1MHz采样频率范围内主控芯片性能不受影响。

数据传输电路主要由USART-TTL转USB通信电路、高速USB接口电路和仿真下载接口电路组成。其中USART-TTL转USB通信电路负责主控与计算机的串口通信，主要传输指令、状态信息等；高速USB接口电路负责高速传输ADC采集到的数据，速率可达2MByte/s，为主要传输接口；仿真下载接口电路负责主控程序的下载烧录以及软件调试。

6结语

针对当前国内高分辨率数据采集系统缺乏且价格十分昂贵的问题，本文设计了一款低成本的24位高分辨率数据采集系统，通过设计合理的模拟信号调理电路、低噪声电源电路以及采用STM32单片机作为嵌入式主控系统，该数据采集系统在采样分辨率以及速率方面，都具有较好的性能。

文献参考：

[1]曹伟洋,王涛,马宏莉等.基于STM32单片机的便携式室内空气质量检测仪[J].传感器与微系统,2022,41(11):101-104.

[2] 边宇舰,姜科,王忠康,李新天.基于MSP432的多串口传感器数据采集软件设计[J].电子设计工程,2023,31(07):169-174.

[3] 朱建红,顾菊平,任浩锋,陈泽宇.基于DSP数据采集风电并网监控设计[J].南通大学学报(自然科学版),2022,21(02):79-87.

[4] 郁文君,任霞,李开杰.基于FPGA和STM32的CAN总线数据采集系统[J].电子设计工程,2023,31(07):57-61.

[5] 饶浚节.嵌入式光电信号数据采集及人机交互技术研究[J].电脑知识与技术,2021,17(27):103-104.

基金项目：本项研究受科工局稳定支持经费计划“基于USB总线的24位数字采集及微弱信号检测技术研究”（编号：KWD210202）及国家自然科学基金(62127804)资助。

作者简介：张圣坤，男，1995年6月10日，汉族，山东省济南市莱芜区，硕士研究生学历，助理工程师，主要研究方向为模拟电路设计。