开放型模块化高性价比ATS的自主研发

　　2．3 高精度采集与实时处理模块设计

　　如图4所示，多通道高精度连续采集与实时处理模块主要包括模拟前端调理电路、高精度串行ADC、FPGA、高速缓存(SDRAM)、触发定时控制、DSP、总线接口和PC监控调试接口等部分。主要适用于热电偶、应变片、压阻、热电阻等传感器初步调理的电压信号、通用电压信号进行高精度程控调理和实时采集。影响采集系统精度的主要因素是ADC转换位数和输入ADC的电压范围。为扩大系统测试动态范围，实现精密测量，除了选择性能优良的ADC芯片和充分抑制信号传输通道噪声外，还需要将大动态范围的输入电压信号进行程控调理，实现ADC最佳输入范围。为实现l～10000倍的程控增益倍数设计(微弱信号)，模拟前端调理电路由一级放大(PGA)、二级放大(程控增益放大器和程控滤波器PGA＆F)部分组成。PGA可提供1、10、l00和l000倍的一级程控增益PGA＆F可提供l～16倍的二级程控增益与截止频率为lO～150 kHz的程控滤波，DAC为8路模拟调理电路提供调零信号。利用DSP以及其他数字部件(MUX、差动放大器。PGA等)，通道输入信号同样可切换为内部的DAC。DSP同步控制大容量SDRAM(如HY57V641620)，可实现模块4M字高速同步缓存；在保证采样数据高速采集的同时，可为DSP触发判别或实时处理提供数据缓冲。由ADC、DSP和高速缓存SDRAM三者构成一个灵活、紧凑的实时信号处理结构，保证DSP发挥实时信号处理能力。FPGA主要实现8路高精度串行ADC(如24位)输出数据的串／并转换和ADC控制等。总线接口部分同2．2小节。

　　2．4 智能计数器模块设计

　　图5为基于DSP和FPGA的8通道大动态范围高精度智能计数器模块原理框图。

　　图中主要包括大动态范围计数器模拟前端调理电路、基于DSP和FPGA的智能计数器和总线接口部分(同2．2和2．3小节)，用于转速传感器等脉冲式传感器测量，也可接入TTL信号直接进行时间计数与频率测量。计数器模拟前端调理电路包括隔直滤波、输入阻抗匹配、限压保护、分压限流、高速比较以及缓冲整形等部分，可自动将大动态范围(BW：l Hz～lO MHz，±50V)的周期性正弦波、三角波或锯齿波信号调理成适合计数的标准TTL信号输出。计数器／测频模块采用FPGA硬件加DSP软件相结合，可灵活实现超高范围的高性能智能计数：累加计数范围为232-l，原则上计数器字宽不受限制；频率测量精度可达到1×10-5；既可统一选择外部闸门信号，又可程控选择通道1～8中的任一通道作为其他通道的闸门信号。

　　结 语

　　基于以上设计思路，笔者自主研发的开放型、模块化、高性价比的ATS如图6所示。

　　本系统各个开放性、高性价比、全数字化功能模块皆可自成体系，可对各种常用工业传感器信号进行大动态范围高精度程控调理、高速高精度连续采集和实时处理，在高端智能仪器、ATS和ATE中有着广泛的可移植性；且易于实现网络化升级，各功能模块仪器总线接口扩展为网络接口、零槽通信控制卡扩展为测控HUB、仪器总线扩展为光纤以太网络，即可满足以测控服务器、测控HUB和探头为基本逻辑单元，逻辑上由构造层、连接层和仪器层构成的网络仪器开放体系结构规范。