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基于SoC实现的数据采集系统详解

2018年02月14日 14:36 次阅读

数据采集系统(首字母缩写为DAS或DAQ)首先对放大、电平转换等原始信号执行相应的信号调节,然后再进行信号数字化和存储,从而实现对温度、压力和湿度等现实世界信号的测量。数字信号通常被定期发送到另一个数字系统执行进一步处理。

数据采集系统的部分应用实例包括:天气监测以及对地震仪、压力、温度和风力风向的记录等。将这些信息馈送到计算机,用于预测雨水以及地震和破坏性强风等自然现象及灾害。DAS在医疗领域的应用包括可跟踪心电图(ECG)或脑电图(EEG)信号等的患者监护系统。

典型的DAS系统包含如下组件:

● 传感器:将真实世界现象转换成等效的电气模拟信号

● 信号调节电路:将来自传感器的信号改变为可执行数字化的形式

● 模数转换器:将已调节的模拟信号转换为数字表示形式

● 存储与转发存储器:用于存储在后期将被转发至另一系统的数字信号流

● 通信接口:将数字流传输至其它系统的经由通道

● 微处理器系统或微控制器:排序并控制所有其它组件

图1显示了基本数据采集系统的方框图。这些内部模块的详细内容将在下一章节中进行阐述。

基于SoC实现的数据采集系统详解

图1:从单个传感器获取数据的数据采集系统

数据采集系统的子系统

a) 传感器:

如前所述,数据采集系统能够跟踪温度、压力、湿度、流速等物理参数。由于在电子域中处理非常灵活,因而需要使用适当的传感器将这些参数转换成电阻、电流或电压变化等可测量的电气量。例如,热敏电阻、电阻式温度检测器(RTD)等传感器会随着温度的变化而相应改变其阻值,而应变计等压力传感器则会根据所施加的压力相应改变阻值。这些均可通过惠斯通电桥(wheatstone‘s bridge)[1]转换成电气量(例如电压)。

表1列出了一些在DAQ中监控的通用物理参数以及所使用的适当的传感器。

表1:常用的电子传感器。

b) 隔离:

信号采集应用在处理超高电压信号时会造成系统毁损。强烈推荐使用变压器对高电压进行降压转换,也可使用光隔离等其它保护电路[2]。

c) 信号调节:

尽管传感器在对所监控的信号进行电气解读方面具有非常宝贵的价值,但是其可用的电信号幅值水平却非常低,通常仅为可计量信号的1/10^6或1/10^3。

除了电气信号测量值的问题以外,一些不相干的外部干扰也会被传感器拾取并加大噪声。如果事先知道这些信号的频率范围,就可以设计适合的滤波器来清除噪声。对于特定位置的温度监控等应用而言,温度不会随着时间的推移发生显著变化,例如大部分都是变化缓慢且频率低。因此,在将输入信号提供给高增益放大器之前有必要先将其馈送到低通滤波器(LPF)进行滤波。

数据采集系统通常会同步跟踪并行环境中的众多信号,并使用单独的传感器测量每一种数量值。如图1所示,如果每种参数都采用单独的数据采集系统进行测量,那么总体系统就会变得非常庞大。此外,由于测量到的信号量变化非常缓慢,因此无需对这些信号进行持续监控,这样我们就可以利用统一的通道多路复用不同的已调节信号输出,以实现进一步处理,如图2所示。

基于SoC实现的数据采集系统详解

图2:N通道数据采集系统的总体方框图。

d) ADC:

由于处理数字信号简单易行,因而需要将模拟多路复用器中出来的多路复用信号输入馈送至模数转换器(ADC)。ADC的所需分辨率完全取决于应用需求,但其采样率则取决于输入信号的带宽。我们假定通道1的带宽是f1,通道2是f2,……通道N是fn,那么N通道多路复用的模拟输入则被馈送至ADC,采样频率应为

Fs ≥ 2 * max (f1, f2, …, fn)。

Fs = k * max (f1, f2, …, fn), k≥2

推荐使用较大的k值,以便让数字解码的信号能够紧密跟踪模拟信号且不会丢失任何有效数据。

有人也许会感到奇怪,在对信号进行多路复用之前为什么不单独数字化各个通道。假设我们的某个应用需要监控10个左右的通道,如果在进行多路复用之前对信号进行数字化,那么不得不使用10个单独的ADC(每个通道分配一个),这样就需要10个单独的ADC IC。

对于上述提及的ADC使用方法,需要考虑的一大重要问题就是温度、压力等各种参数在不同实例下进行采样的情况,即温度处于时间“t”,压力处于“t+Δt”,其中Δt = 1 / Fswitch,而Fswitch = 多路复用器的开关频率 = Fs/N。如果在“t”和“t+Δt”之间环境条件发生突变,那么初始时间点测量的温度读数无法反应出这种变化,而在“t+Δt”测得的压力读数才能反映出这一突然变化。如果需要在相同情况下测量所有的物理参数,那么将信号馈送至模拟多路复用器之前需要在每个通道中运用单独的采样与保持电路。触发信号应被同时馈入所有通道的采样与保持电路中,触发信号的频率应为Fswitch/N,其中N表示通道的数量。这类系统也被称为时间同步系统。

模拟多路复用器的开关频率由所用的通道数量控制,并需要考虑采样速率。但是,开关频率还需要受ADC转换时间参数的限制。

实例:

如果ADC的工作时钟频率是FADC,而且每次转换需要“L”个时钟周期进行采样,“M”个时钟周期进行转换,那么

以上条件可被解读为两种情况:

1. 如果“M”和“L”非常大,那么加到ADC的时钟要求就会更高。

2. 具有较大“L”和“M”的ADC固定时钟会限制Fswitch,这样反过来也会限制被监控信号的信号带宽。

这一条件并非强制性的。如果前一个通道已经完成采样阶段并开始进入转换阶段(假设ADC具备此功能),我们就可以将多路复用器切换到下一个通道。在这种情况下

使用PSoC(片上可编程系统)实现数据采集系统

除了外部传感器、隔离器和存储PC外,以上系统一般需要‘N’个低通滤波器、‘N’个高增益放大器、‘N’个采样与保持电路、1个外部N:1模拟多路复用器、1个ADC芯片(带外部参考电压)和1个可用来读取数字数据并通过RS-232接口将读数传送到PC的专用MCU。总的来说,需要‘3N+2’颗芯片;如果我们需要监控10个通道的信号,那么实际需要32颗芯片,这样会使系统过于庞大和昂贵。

我们能用一个片上可编程系统替代32颗芯片,将材料成本降低‘3N+1’倍。表2列出了采用可编程SoC实现的数据采集系统所用的组件列表及其主要特性。

基于SoC实现的数据采集系统详解

表2:在数据采集系统中所用PSoC和其它MCU的对比。

基于SoC实现的数据采集系统详解

图3:采用PSoC的数据采集系统概览。

基于SoC实现的数据采集系统详解

图4:采用内置运放和外部电阻器与电容器的二阶低通滤波器(参考图3中的连接方式)。

图3显示了采用赛普拉斯PSoC 3/5构建的系统的内部原理图,以及对各模块的解释。采用PSoC 3/5构建该项目时所使用的工具为PSoC Creator。

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全球首个柔性系统级芯片(SoC)是其它柔性器件的...

据报道,AFRL和美国半导体公司利用3D打印领域的创新共同研发出全球首个柔性系统级芯片(SoC),这...

发表于 2018-01-26 09:55 270次阅读
全球首个柔性系统级芯片(SoC)是其它柔性器件的...

全志:探讨人工智能时代新的合作机会以及在语音领域...

1月23日,Arm与Baidu DuerOS在上海华亭宾馆成功举办技术及生态研讨会,吸引了近百位Ar...

发表于 2018-01-25 12:44 733次阅读
全志:探讨人工智能时代新的合作机会以及在语音领域...

第二代多处理器SoC,实现最佳低成本电源解决方案

Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC设计有多个电源域,然后每个电源域会进一步细...

发表于 2018-01-25 09:29 2411次阅读
第二代多处理器SoC,实现最佳低成本电源解决方案

NPU的简介以及Kirin 970的NPU的性能...

去年,华为推出了业界首款集成NPU的移动芯片Kirin 970。作为新一代的旗舰,这个SoC上面的C...

发表于 2018-01-24 14:32 1377次阅读
NPU的简介以及Kirin 970的NPU的性能...

FPGA供应商提供了丰富的器件与完善开发工具来应...

随着消费电子、物联网等领域的不断发展,用户需求也越来越复杂和多样,因此我们在嵌入式系统设计中必须选择...

发表于 2018-01-21 11:45 1250次阅读
FPGA供应商提供了丰富的器件与完善开发工具来应...

ASR还在谋划NB-IoT芯片这个大市场 能否...

自从去年六月宣布收购Marvell的移动通信部门以来,翰捷科技(简称:ASR)恍惚从市场上消失了一般...

发表于 2018-01-19 14:14 1001次阅读
ASR还在谋划NB-IoT芯片这个大市场  能否...

基于GP-IB的测试数据采集处理系统设计与实现[...

通过对当前加速度计测试工序多、操作复杂、易引起误操作的现状分析,为能更好地标定石英挠性加速度计性能参...

发表于 2018-01-18 11:22 198次阅读
基于GP-IB的测试数据采集处理系统设计与实现[...

基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

基于DSP处理器TMS320F2812与SD卡的接口,设计了一种便携式的生理信号数据采集系统,用于大...

发表于 2018-01-18 09:31 179次阅读
基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

伟世通下一代SmartCore™座舱域控制器将采...

全球领先的汽车座舱电子供应商伟世通(纳斯达克交易代码:VC)日前宣布,下一代SmartCore™座舱...

发表于 2018-01-17 09:39 3455次阅读
伟世通下一代SmartCore™座舱域控制器将采...

altera soc的视频显示问题请教。

发表于 2018-01-16 16:22 270次阅读
altera soc的视频显示问题请教。

结合LED照明的电容式感应设计方案

电容式触摸感应是一项用于在智能手机、平板电脑、液晶和LED电视等各种电子应用中实现直观用户界面(UI...

发表于 2018-01-16 08:45 1417次阅读
结合LED照明的电容式感应设计方案

matlab串口数据采集

本文主要介绍了matlab串口数据采集,matlab功能强大,串口操作也很简单,通过以下几个实例你就...

发表于 2018-01-15 10:23 427次阅读
matlab串口数据采集

基于Zynq SoC架构在器件的可编程逻辑内构建...

Zynq SoC架构的主要优势之一就是能够通过在器件的可编程逻辑内构建外设来加快处理速度。 这是Ad...

发表于 2018-01-12 03:50 127次阅读
基于Zynq SoC架构在器件的可编程逻辑内构建...

关于可穿戴设备市场的调研报告

一款可穿戴设备在购买几个月后用户可能就失去兴趣,被无期限的扔到抽屉的某个角落。然而新推出的芯片要能够...

发表于 2018-01-09 14:20 154次阅读
关于可穿戴设备市场的调研报告

兆芯第一款采用SoC设计的KX-5000系列CP...

其中通用型CPU取得里程碑意义尤其显著。28日,上海联和投资有限公司副总经理、上海兆芯董事长兼总经理...

发表于 2018-01-08 13:42 849次阅读
兆芯第一款采用SoC设计的KX-5000系列CP...

如何实现数据采集触发计时?

发表于 2018-01-08 11:15 394次阅读
如何实现数据采集触发计时?

修改时钟滤波器来改善全速测试效率的方法

当频率关系是2的整数倍时,共享相同时钟源的功能块具有同步交互性。从时序的角度看,这些交互可能经常发生...

发表于 2018-01-05 17:31 196次阅读
修改时钟滤波器来改善全速测试效率的方法

对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn...

发表于 2018-01-05 11:36 1024次阅读
对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

如何搭建SoC项目的基本流程

我在论坛上写过一个。《如何搭建SoC项目的基本Testbench(我的流程)》,这里挑重要的和有改变...

发表于 2018-01-05 10:20 817次阅读
如何搭建SoC项目的基本流程

2017年Q3全球智能机SoC市场:高通稳占龙头...

在过去的2017年Q3全球智能机SoC市场报告中,高通营收增至42%稳占龙头,苹果市占率则来到20%...

发表于 2018-01-03 12:54 361次阅读
2017年Q3全球智能机SoC市场:高通稳占龙头...

比特币价格开年下跌6.1%为2015年以来首次_...

比特币价格开年下跌6.1%为2015年以来首次。在刚刚过去的2017年,暴涨暴跌的比特币,无疑成了全...

发表于 2018-01-03 10:56 1260次阅读
比特币价格开年下跌6.1%为2015年以来首次_...

2017年手机芯片度排名出炉!华为进前五_高通仍...

2017年手机芯片度排名出炉!华为进前五_高通仍是最大赢家!CPU是大家耳熟能详的计算核心原件,当下...

发表于 2018-01-03 10:38 3836次阅读
2017年手机芯片度排名出炉!华为进前五_高通仍...

在做电量估计的时候,城市道路工况怎么加到simulink中?

发表于 2018-01-02 15:13 483次阅读
在做电量估计的时候,城市道路工况怎么加到simulink中?

测试手机芯片带宽性能及优化测试方法

手机的带宽吞吐性能是影响手机总体性能的一个重要指标,目前几乎所有第三方的手机评测软件都有对这一项指标...

发表于 2018-01-02 11:36 2425次阅读
测试手机芯片带宽性能及优化测试方法

Nordic的nRF51系列SoC器件,将传统的...

来自中国飞智公司的Apex游戏手柄采用Nordic的nRF51系列SoC器件,将传统的游戏机控制器带...

发表于 2017-12-29 08:29 947次阅读
Nordic的nRF51系列SoC器件,将传统的...

基于STM32的新型电力数据采集系统的设计与实现

本文主要介绍了基于STM32的新型电力数据采集系统的设计与实现,本系统由模拟量与开关量采集模块、通讯...

发表于 2017-12-28 11:45 528次阅读
基于STM32的新型电力数据采集系统的设计与实现

自己做的一个小程序,Labview通过OPC采集S7-200的实时温度值显示在趋势图上,并将采集的时间和温度值存储到EXCEL表格中。

发表于 2017-12-21 09:33 769次阅读
自己做的一个小程序,Labview通过OPC采集S7-200的实时温度值显示在趋势图上,并将采集的时间和温度值存储到EXCEL表格中。

运用DAQ数据采集卡采集数据

发表于 2017-12-20 22:00 544次阅读
运用DAQ数据采集卡采集数据

labview程序运行越久越慢的现象

发表于 2017-12-07 14:27 1272次阅读
labview程序运行越久越慢的现象

刚入门FPGA的小萌新有个关于数据采集的问题?

发表于 2017-11-24 11:29 878次阅读
刚入门FPGA的小萌新有个关于数据采集的问题?