基于ADS1252的数据采集模块设计

   现代医疗、地质、环境监测、工业过程控制往往需要对监测点进行高速高精度的数据采集，高精度的数据采集模块在其中得到广泛的应用。数据采集模块的设计决定着测量数据的精度和可靠性，因此它是构建高精度测量系统的基础。本文提出一种基于ARM7处理器S3C4510B和A／D转换器ADS1252构建的高精度数据采集模块的设计方案，并介绍了该方案的软硬件设计。

1 ADS1252芯片特性
    ADS1252是美国BURR-BROWN公司推出的一款高精度、宽动态范围、采用单+5 V电源供电、具有24位分辨率的单通道A／D转换器。它采用差分输入方式，对于低电平电压信号接入非常有利；它采用4阶∑-△结构的调制器，可以得到宽动态范围和24位无差错编码；它内部有三阶数字滤波器，可以滤除电源波纹和其他干扰；它的数据输出率可随系统时钟的改变而改变，当数据输出速率达到最大40 kHz时，仍具有19位的分辨率；它提供一个2线同步串行接口，可以方便的与微处理器连接。所有这些特点使得ADS1252非常适合用做高精度数据采集模块的A／D转换器。

2 采集模块电路设计
    本数据采集模块设计使用的微处理器是S3C4510B，它是三星公司针对网络应用而开发的一款性价比很高的ARM7TDMI内核的16／32位RISC微处理器，具有低成本和高性能的特点。本文以ADS1252测量电压为例说明采集模块电路的设计原理。S3C4510B与ADS1252的接口电路如图1所示：其中CPU_TOUT1信号对应于S3C4510B定时器1的溢出TOUT1引脚，主要为ADS1252工作提供系统时钟CLK；CPU_P1信号对应于S3C4510B的I／O端口P1引脚，主要为读取ADS1252的有效数据提供串行时钟SCLK；CPU_P2信号对应于S3C4510B的I／O端口P2引脚，主要用于检测ADS1252数据是否准备好以及读取有效数据DOUT而提供的串行数据引脚。

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    由于S3C4510B的I／O引脚的工作电压为3．3 V，而ADS1252的I／O引脚的工作电压为5 V，因此S3C4510B的CPU_TOUT1，CPU_P1，CPU_P2信号不能与ADS1252的CLK，SCLK，信号直接相连。74HC245芯片是8路总线收发器，在发送和接收两个方向上都具有正相三态总线兼容输出，并且其输入、输出的工作电压范围是0～VCC。本设计通过74HC245芯片使S3C4510B与ADSl252的I／O引脚的工作电压进行匹配，并使DIR=H且，令数据从A总线传送到B总线。
    为了实现S3C4510B与ADS1252电气信号隔离，本设计选用6N137高速光耦，它是电子线路中隔离电压冲击及噪声串扰的优选器件，具有体积小、隔离效果好、价格便宜、便于安装等特点。
    REF195是一款精密、微功耗、低温漂、高稳定性的基准电压源。本设计选用它为ADS1252提供5 V的基准电压。ADS1252的差分模拟输入V+，V-支持双极性输入，但本设计将V-引脚参考AGND，只允许单极性输入，因此ADS1252的电压测量范围为0～5 V。本设计在V+、V-之间并接5．1 V的齐纳二极管，当输入电压大于5．1 V时，可以把V+，V-两端的电压稳定在5．1 V，从而起到保护ADS1252的目的。

3 采集模块软件开发
    采集模块软件的开发主要包括两个方面：ADS1252驱动和采集任务软件的开发。
3．1 ADS1252驱动的开发
    由图2(a)可知，ADS1252的驱动开发主要包括I／O初始化、时钟初始化、ADS1252初始化、ADS1252读数据、校准数据。现分别介绍如下：

    (1)I／O初始化：由于S3C4510B的I／O端口P1、P2既可用作输入口也可以用作输出口，因此必须通过软件对IOPMOD寄存器配置将P1设置为输出口，用于产生ADS1252的串行时钟；将P2设置为输入口，用于读取ADS1252的串行数据。
    (2)时钟初始化：由于S3C4510B的I／O端口P17既可用作I／O口、也可用作定时器1的溢出TOUT1，因此必须通过软件对IOPCON寄存器配置将P17设置为定时器1的溢出TOUT1；接着通过软件对TMOD寄存器配置将定时器1设置为触发工作模式；
最后通过软件对TDATA1寄存器配置产生ADS1252工作所需的时钟频率。
    (3)ADS1252初始化：当ADS1252工作在某个频率f(t=1／f)，首先通过软件对P1端口置1使SCLK引脚保持高电平的时间TReset满足4TDRDY≤ TReset<20TDRDY(TDRDY=384t)，那么ADS1252就会进入复位的状态。接着通过软件对P1端口置0使SCLK引脚变为低电平，此时ADS1252开始工作，它的串行数据引脚首先会进入Mode，接着进入DOUT Mode模式，之后在这两种模式之间交替切换。
    (4)ADS1252读数据：当对ADS1252进行初始化后，此时软件通过对P2端口的轮询检测上升沿。一旦检测到上升沿，表明ADS1252进入 Mode，该模式的持续时间。当软件延时后，ADS1252进入DOUT Mode，该模式持续时间TDOUT=348t。在DOUT Mode期间，软件对P1端口产生一个脉冲，即可从P2端口读取到1位的数据。同理，即可获取其余23位的数据。软件必须保证在TDOUT时间内读完24位数据，否则ADS12 52将会进入下一个数据转换周期。
    (5)校准数据：采集数据必须经过校准参数K，B的调整才能匹配实际值。其中采集电路的校准原理是采用两个恒定电压作为基准，通过原始的采集数据和高精度电压表实测电压，进行比较计算，从而得出校准参数K，B。
3．2 采集任务软件的开发
    VxWorks是美国风河公司开发的一款具有微内核、高性能、可裁剪的嵌入式实时操作系统。本采集模块软件是基于VxWorks5．5操作系统进行开发的，为了满足数据采集的实时性，采集任务被分配了最高的优先级。由图2(b)可知，采集任务软件的开发主要包括采集数据、数据平滑处理、数据转发、任务休眠。现分别介绍如下：
    (1)采集数据：调用ADS1252驱动程序对电压进行多次采集。
    (2)数据平滑处理：除了在硬件上采取必要的抗干扰措施外，很有必要对多次的采集数据进行软件滤波，但必须考虑因此造成的延时。在保证测量精度和实时性要求的前提下，在软件处理上采取去掉最大、最小值，然后取平均的算法。
    (3)数据转发：采集任务除了对数据进行采集以及平滑处理外，还必须将数据定时转发到它的订阅者，如通信模块、显示模块等。
    (4)任务休眠：调用操作系统的taskDelay()函数，采集任务交出对CPU的控制权，以便让其他任务得到运行的机会。

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4 软硬件调试
    当数据采集模块的硬件和软件设计完毕，需要对它进行软硬件的调试以验证其设计的正确性。数据采集模块软硬件调试按以下步骤依次进行：
    (1)ADS1252驱动调试：运行ADS1252驱动程序，首先用示波器监测ADS1252的CLK引脚，观察时钟频率的测量值是否与设定值一致。当CLK时钟频率设置正确，接着用示波器监测ADS1252的SCLK与引脚，观察这两个引脚的时序是否正确。
最主要保证串行时钟是发生在Mode之后，否则将会读取到错误的数据。
    (2)校准数据计算：在ADS1252驱动工作正常的前提下，首先用直流可调稳压源对ADS1252的差分输入端分别输出1 V，4 V的电压，将ADS1 252采集的电压分别记为VS1，VS2，同时将高精度电压表测量的电压分别记为VM1，VM2。接着通过对VS1，VS2，VM1，VM2的比较计算，得出校准参数K，B。
    (3)采集任务调试：当校准参数计算完毕，启动采集任务对实时电压数据进行采集。在0～5 V的范围内，用直流可调稳压源对ADS1252的差分输入端输出从低至高的电压，此时采集任务通过printf()函数将采集电压输出到控制台。通过对比用高精度电压表测量的电压值，可以计算出ADS1252的采集电压误差，从而判断采集精度是否满足要求。

5 实验结果
    现使用广东省电子技术研究所研制的GE／FC1燃料电池测试系统对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)工作所需的氢气及氧气的流量、压力、湿度控制到合适值，然后进行电流扫描测试。在测试期间，用基于ADS1252的数据采集模块对电流扫描测试过程PEMFC的电压、电流的动态变化数据进行记录；同时用安捷伦数字万用表测量PEMFC电压、电流的某些特征值。
    由于实验用的PEMFC采用单片Nation膜(截面积为2 cm×2 cm)组装，其开路电压不超过1．5 V。首先通过测试系统控制PEMFC氢气及氧气流量分别为0．1 SLPM，0．07 SLPM；控制PEMFC氢气及氧气背压均为0．05 MPa；控制PEMFC氢气及氧气的露点温度、气体温度分别为65℃，70℃。然后测试系统以1 mA的起始电流，按10 mA／s的增量对该PEMFC进行放电，并以“结束电流≥10 A”或“结束电压≤1 mV”为条件结束测试。
    为了检测10 A范围的电流，本数据采集模块通过检测0．5 Ω测流电阻的电压来间接计算出电流值。本数据采集模块测量PEMFC的极化曲线如图3所示，并且通过比较特征电压电流的采集值及实际值，计算出电压电流的采集精度均满足±(0．5‰RD+0．5‰FS)，其中RD表示当前读数值，FS表示满刻度值。

6 结论
    目前已完成基于ADS1252的数据采集模块软硬件的设计及调试，并成功将软件移植到VxWorks 5．5操作系统上运行。通过实时采集PEMFC电流扫描测试过程中的电压、电流数据的实验，表明基于ADS1252的数据采集模块具有较高的采集速度和采集精度。长期严格的测试表明本数据采集模块的软硬件工作稳定可靠。