引言
目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集卡并不能適應工業(yè)控制現(xiàn)場或像野外那樣存在多種噪聲干擾的使用環(huán)境，特別是對50Hz工頻干擾及其諧波干擾無法起到抑制作用。在這種情況下，采集到的數(shù)據(jù)往往有很多錯誤或者采集卡無法正常工作。
本數(shù)據(jù)采集卡與以往數(shù)據(jù)采集卡相比增加了諸多功能。采用與以往數(shù)據(jù)采集卡不同的結構：給輸入通道增加了程控濾波環(huán)節(jié)，即前置濾波器的中心頻率及50Hz工頻及其諧波頻率陷波器的選擇都采用單片機軟件控制，可根據(jù)現(xiàn)場需要進行選擇，以適應不同環(huán)境。同時本采集卡運用SoC設計思想，使用Cygnal公司新推出的C8051Fxxx高速單片機，在片內實現(xiàn)通道轉換及A/D轉換。這樣既減小了硬件開銷又縮短了數(shù)據(jù)傳送距離，還能進一步抗干擾，而且不用更改硬件電路，就可對采集卡的功能進行更改或擴展。

系統(tǒng)硬件結構
多功能數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)結構如圖1所示。
采集卡共用八個模擬輸入通道，每個輸入通道都具有獨立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級陷波器。其中每個帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個濾波器是否需要接入電路也可由單片機控制。程控增益放大器的放大倍數(shù)可由單片機分檔控制。模擬信號經(jīng)過濾波、放大電路后，在進入單片機進行A/D轉換之前需經(jīng)過多級陷波器以消除50Hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級數(shù)也可由單片機根據(jù)使用環(huán)境選擇。采集卡的控制是SoC單片機C8051F020，其內部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8選1模擬多路選擇器。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過EPP接口送到上位機。
程控濾波器原理及電路
本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級相同的濾波器級聯(lián)而成，每級由三個高、低失調、低噪聲運放OP07和兩個12位電流輸出DAC AD7533構成。將AD7533的Iout2引腳接地，則其Vref和Iout1兩個引腳之間等效為一個受DATA9~DATA0控制的電阻網(wǎng)絡，等效電阻為：，其中R為DAC芯片電阻網(wǎng)絡的單個等效電阻值，對于AD7533為10kW；n為DAC的位數(shù)，對于AD7533，n=12；D為DATA9~DATA0對應的二進制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW時，中心頻率

用SoC單片機的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通過改變DATA0~DATA9的數(shù)值改變REQ，進而改變?yōu)V波器的中心頻率。
將兩級電路級聯(lián)起來，構成圖2中的完整電路，可以進一步提高品質因數(shù)。表1中列出了D取不同值時，實際測得的中心頻率和-3dB處的頻率，反映出該電路不但可以高地控制中心頻率，而且具有很高的Q值。
陷波器電路
50Hz交流電干擾是數(shù)據(jù)采集中不可避免的嚴重問題，采集電路中必須設置50Hz陷波器，將以差模形式串入的50Hz及其諧波濾除。
圖3為二階雙T型50Hz陷波器電路，陷波深度-40dB以上，Q值約為3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C時，陷波器的中心頻率為：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF時，中心頻率為50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF時，中心頻率為150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF時，中心頻率為250Hz。這樣就構成三級陷波器，每級陷波器又受一單刀雙擲模擬開關ADG419控制，SoC單片機可選擇將哪或哪幾級陷波器接入電路。該電路經(jīng)過測試與實際應用，證明對50Hz及其諧波具有極好的抑制能力。
程控增益放大器
程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器PGA202，它具有較高的共模抑制比(增益為1時，CMRR優(yōu)于80dB)，單位增益帶寬為1MHz。其可編程增益有×1、×10、×100和×1000四檔，受A0、A1兩引腳控制，將這兩個引腳接入SoC單片機的I/O口，即能實現(xiàn)單片機對PGA202增益的控制。
C8051F020單片機內部集成ADC
C8051F020內部集成有12位的ADC0，其轉換速率可達100ksps，與內部8選1 MUX結合起來使用，即可構成8通道的ADC。初始化ADC0時，8051內核對特殊功能寄存器AMX0CF寫0x60、對ADC0CF寫0XF8、對ADC0CN寫0x80，即配置為8通道單端模擬輸入、內部PGA增益為1、A/D轉換的結果字右對齊。當對寄存器REP0CN寫0x02時，啟動ADC0。ADC0轉換完畢后會產(chǎn)生第15號中斷，中斷向量為0x007B，8051內核在中斷服務子程序中讀A/D轉換的結果，A/D轉換結果存在寄存器ADC0H(高4位)和ADC0L(低8位)中。
輸入通道與單片機的接口
C8051F020具有64個I/O引腳，足以用于對外部輸入通道各個功能的選擇，其中P0.0~P0.7和P4.0、P4.1接到DAC，用于選擇程控增益放大器的增益選擇。P4.2和P4.3接到程控增益放大器PGA202的A0、A1兩個引腳，用于增益的選擇。另外，程控濾波器和多級陷波器每的前端都有一單刀雙擲模擬開關ADG419，ADG419是低導通電阻的模擬開關，其導通電阻僅為35W，受控引腳IN為“0”時開關1導通、開關2斷開，IN為“1”時開關1斷開、開關2導通，開關時間為30ns。每個通道各有四個ADG419，將同八個ADG419的IN引腳連在一起(因有8個通道)，接到C8051F020的P4.4~P4.7，這樣，通過單片機的P4.2~P4.7引腳，就能實現(xiàn)多功能的選擇。

結語
基于SoC單片機的多功能數(shù)據(jù)采集卡，為數(shù)據(jù)采集提供多種功能，以適應可能遇到的不同測試條件。本設計達到如下參數(shù)指標及功能：每通道采樣率為100ksps；幅值優(yōu)于5mV；濾波器可選中心頻率為32Hz、64Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz，控制優(yōu)于2.4%，Q值優(yōu)于5；陷波器可選中心頻率為50Hz、150Hz、50Hz，陷波深度-40dB以上。
C8051F020豐富的硬件資源使得進一步擴展功能而不改變硬件電路成為可能，如內部PGA，還可用來進一步微調放大倍數(shù)，只需改變寄存器ADC0CF的值即可。將ADC0工作方式改為窗口比較方式可進一步提高MCU效率，以便實現(xiàn)量程自動轉換等等。C8051F020的在線編程方式也為在線改變軟件提供了方便?！?/P>
  

參考文獻:

[1]. C8051F020 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/C8051F020_209830.html.
[2]. OP07 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/OP07_950754.html.
[3]. ADG419 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ADG419_123738.html.
[4]. PGA202 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PGA202_546804.html.
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[6]Cygnal C8051Fxxx數(shù)據(jù)手冊[EB/OL] 
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[8] AD7533數(shù)據(jù)手冊[EB/OL]