基于单片机和CPLD的高精度数据采集系统设计

　　1 引言

　　数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。

　　当前科学技术的发展对数据采集系统的采样速率、分辨率、精度、接口及抗干扰能力等提出越来越高的要求，许多领域越来越多地要求具有高精度A/D转换和实时处理功能。同时，市场对支持更复杂的显示和通信接口的要求也在提高，如环境监测、电表、医疗设备、便携式数据采集以及工业传感器和工业控制等。传统设计方法是应用MCU通过软件控制数据采集的A/D转换，这样必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据运算能力，数据采集的速度也将受到限制。本文采用MCU+CPLD的方案，由硬件控制A/D转换和数据存储，同时采取多模冗余的模/数转换结构，最大限度地提高系统的信号采集精度和处理能力。

　　2采集系统硬件设计

　　本文的设计方案来源于对某控制系统的检测与诊断的研究，该控制系统在工作过程中，有多种产生于不同部件的信号需要检测，其中有模拟输入信号9路(其中6路16位精度要求，3路12位精度要求)，数字输入信号3路(16位)，要求以CAN2.0总线/RS232输出，误差<=10-5，温度范围为：-400C≤ T ≤ +850C。

　　2.1数据采集系统硬件设计

　　根据该系统功能和性能要求以及传统的基于单一的单片机的数据采集系统的缺点，本文设计了结合单片机和CPLD器件的各自优点， 以MCU+CPLD的双片结构设计了高精度的多模冗余的数据采集系统。系统主要由MCU处理模块、CPLD处理模块和ADC阵列、通信模块四个部分组成，其总体硬件框图如图1所示。

图1 数据采集系统总体框图

　　根据系统精度要求，A/D转换器件要分别达到16、12位精度，为此选用了美国模拟器件公司(ADI)公司的16位高速A/D转换器AD7656以及12位高速A/D转换器AD7864。3路数据采集并行实现，所有的时序信号和控制逻辑由同一片CPLD实现，系统体积小，速度快。本设计选用了Altera公司的MAX3000系列可编程逻辑器件EPM3128芯片。3路ADC模数转换结束后，CPLD调用三模冗余表决程序对A/D转换结果进行判断，并把结果送入运算模块的输入FIFO。三模冗余的原理结构图如图2所示。

图2 三模冗余原理结构图