引 言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求日益提高，采集精度、抗干擾能力和操作安裝的簡易與否成為人們采集數(shù)據(jù)時關(guān)注的主要問題，這使得高精度的數(shù)據(jù)采集技術(shù)成為關(guān)鍵。

　　基于單片機(jī)或其他系列DSP的數(shù)據(jù)采集器，受芯片功能和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對復(fù)雜，使數(shù)據(jù)采集器的可靠性和抗干擾能力受到極大的限制?；赿sPIC30F系列數(shù)字信號控制（DSC）芯片，采用高精度、低噪聲、22位分辨率的新型Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器MCP3551的高精度數(shù)據(jù)采集器，具有數(shù)據(jù)精度高、芯片集成度高、開發(fā)方便等特點(diǎn)。

　　Microchip公司推出的dsPIC30F系列芯片是一款將單片機(jī)與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號控制器。以16位單片機(jī)為核心的dsPIC30F系列芯片不僅具有功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力，同時還融合了可進(jìn)行高速計算的數(shù)字信號處理器。此外，它在異常事件處理、軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，因此基于dsPIC30F平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)采集器僅需要很少的外設(shè)。不但裝置的抗干擾性和可靠性能夠滿足數(shù)據(jù)采集器在各種環(huán)境下運(yùn)行的要求，而且可以提升系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，主要由模擬信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和485通信電路等構(gòu)成。信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前要進(jìn)行處理，模擬信號處理是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一，設(shè)計時考慮信號質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變。設(shè)計時在調(diào)理電路中采用電位器微調(diào)，穩(wěn)壓管限制輸入量程。在A/D轉(zhuǎn)換電路中采用Microchip公司的MCP3551芯片采樣并轉(zhuǎn)換信號，它以三線的SPI方式和dsPIC30F微處理器聯(lián)接。dsPIC30F微處理器控制A/D采樣轉(zhuǎn)換，并通過顯示電路數(shù)碼管顯示輸出及RS485與計算機(jī)通信。輸入信號為0~30mA的電流信號，經(jīng)過調(diào)理電路的處理，進(jìn)入MCP3551E的輸入端的差分信號幅度范圍為0～3V，同時信噪比高。A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，本系統(tǒng)采用Microchip公司的MCP3551芯片。該芯片使用Δ-Σ轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)最高22位的無丟失碼數(shù)據(jù)輸出，其有效分辨率為21.9位，轉(zhuǎn)換精度高，功率消耗低。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　高精度數(shù)據(jù)采集器以dsPIC30F2010芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。首先，由于dsPIC30F2010為16位數(shù)字信號控制器，其強(qiáng)大的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力使得dsPIC30F2010能夠單獨(dú)完成數(shù)據(jù)處理、控制、通信、人機(jī)接口等功能，減少了芯片數(shù)量，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。其次，由于dsPIC30F2010內(nèi)部集成了許多必需的外圍器件，如RAM、FLASH、EEPROM、USART、MSSP等，使得所需外圍擴(kuò)展電路很少，進(jìn)一步簡化了硬件結(jié)構(gòu)。從圖2可以看出，本裝置的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單，極大地提高了數(shù)據(jù)采集器的實(shí)時顯示性及抗干擾性。

　　A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

　　A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊采用MCP3551，它是一種高精度、低噪聲、寬動態(tài)范圍并采用單2.7V~5.5V電源供電的單通道22位分辨率Δ-Σ的A/D轉(zhuǎn)換器，可在擴(kuò)展溫度范圍（-40oC~+125oC）條件下工作，方便地測量低頻低電壓信號。

　　輸入信號為0~30mA電流，經(jīng)過調(diào)理電路的精密電阻R3把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，進(jìn)入MCP3551的輸入端的差分信號幅度范圍為0~+3V的電壓。電阻R4和電位器RP1并聯(lián)構(gòu)成微調(diào)電路。電阻R2為限流電阻。二極管D1、穩(wěn)壓管D2及電阻R5構(gòu)成量程限制電路，當(dāng)輸入信號的幅值超過+5V，則二極管D1導(dǎo)通把信號限制在+5V，對后面的電路起保護(hù)作用。dsPIC30F微處理器的RB0、SDI和SCK引腳分別與MCP3551的片選端{(lán)C}\halfnote_{}^{-}{S}\halfnote_{}^{-} 、數(shù)據(jù)輸出端SDO和串行時鐘輸入端SCK相連。RB0控制著轉(zhuǎn)換的啟動。轉(zhuǎn)換狀態(tài)由SDO/ R{D}\halfnote_{}^{-}{Y}\halfnote_{}^{-}引腳輸出，在RB0為低電平時通過檢測SDI獲得。SDI引腳的高電平狀態(tài)表示器件正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而低電平狀態(tài)則表示轉(zhuǎn)換完成。同時使用SCK傳輸已準(zhǔn)備就緒的數(shù)據(jù)。

　　在實(shí)際的測量中，參考電源是影響MCP3551采集精度的重要因素之一。為了減小其影響，參考電源必須穩(wěn)定、噪聲小。因此，使用REF3125作+2.5V電壓的穩(wěn)壓芯片，以及利用外圍電容的濾波作用進(jìn)一步減少電壓波動對MCP3551的影響。