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user: 3. 采集系统硬件设计 系统硬件部分主要包括电源电路的设计、恒流源电路设计、放大电路设计、多片A/D转换芯片组合电路设计及布局考虑、单片机外围电路设计、数据传输及存储电路设计等。 3.1. 电源电路设计 系统采用锂电池或者直流5 V电源适配器等两种方式供电。锂电池满电电压为4.2 V，在3.7 V供电时间最长。我们选用锂电池升压芯片FP6293将电压升至5 V，5 V电压为A/D芯片及恒流源电路供电。5 V直流电压同时经过SGM6013芯片、ARD130芯片以及CS5171芯片分别生成3.3 V为单片机最小系统及网口电路供电、0.5 V基准电压为减法放大电路提供参考电压、±12 V为运算放大器提供工作电压。12 V直流电压经过ADR421芯片、REF02芯片分别转换为2.5 V基准电压为A/D芯片提供外部参考电压，5 V基准电压为恒流源电路提供参考电压。充电管理选用BL4056芯片，充电电流大小可通过外接电阻来调整，最大充电电流为1 A。电源模块单独集成在一块PCB板上，减少高频信号给采集系统带来的噪声干扰。电源板电压转换过程如图2所示。其中FP6293、SGM6013以及BL4056都为国产芯片，分别为台湾远翔科技公司、盛邦微电子公司以及上海贝岭公司设计制造。 图2. 电压转换设计框图 3.2. 信号调理电路设计 该部分电路包含两部分，恒流源电路及减法放大电路，本采集系统最高可扩展至48路，所以共需48个信号调理电路。该模块输入信号为实时电阻信号，输出为放大到A/D芯片输入信号范围内的实时电压信号。 3.2.1. 高精度恒流源电路 根据设计需求可知，采集系统需要输出1 mA恒定电流将传感器的电阻信号转化为电压信号。该恒流源电路需要具备的性能有：输出电流精度高，负载在0~1000 Ω变化范围内电流输出稳定性好。 本文设计的高精度恒流源电路如图3所示。该电路由5 V基准电压、运算放大器LM324、匹配电阻以及三个用于电流放大的三极管组成的 [ 2 ]。电路中R x 为碳纳米传感器电阻，R N1 为精密采样电阻。采样电阻需选用误差小于0.1%且具有较低温度系数的电阻，Q 1 、Q 2 、Q 3 等三极管可以增强电流输出能力，保证负载变化范围较大时，输出电流的稳定性。该电路工作原理为：5 V基准电压在采样电阻R N1 上产生恒定压降，从而输出恒定电流。选用输出电压精度小于0.2%的基准电压会使输出的电流精度更高且更稳定。高精度恒流源电路输出恒定电流计算如下： 根据运算放大器“虚短”、“虚断”特性： V r e f R 4 = − V 1 R 1 (1) V 1 R 5 = − V 2 R 6 (2) V 3 = V 4 = ( V x + I R N ) R 9 + R 10 R 9 (3) V 4 − V 2 R 12 = V x − V 4 R 13 (4) 图3. 高精度恒流源电路设计 当R 10 = R 13 ，R 1 = R 4 = R 5 = R 6 = R 9 = R 12 ，且R 1 = 2R 10 时，由上述公式可推导出： I c = V r e f 5 R N (5) 由公式(5)可知，当我们高精密电阻R N1 选择1 KΩ，V ref 为5 V时输出的恒定电流为1 mA。 图4. 减法放大电路设计 3.2.2. 减法放大电路 恒流源电路输出1 mA电流经过传感器将电阻信号转化为电压信号。电阻变化范围为0~1 KΩ，转化成电压信号为0~1 V。需要经放大电路放大至合理范围才能送往A/D转换模块。系统采用双电源供电的OP07CD运算放大器设计的减法放大电路，如图4所示。J 1 为滑动变阻器，系统工作之前各个通道需进行调零操作，既在放大电路输入电压为0 V的时候，调节J 1 使输出电压也为0 V。目的是消除系统零点漂移引入的测量误差，使得采集结果最大程度的接近真实值。V x 为碳纸传感器的电压，V o 为放大后可直接送入A/D转换模块的电压。放大电路计算公式如下： 根据运算放大器“虚短”、“虚断”特性： V + = V x × R 56 R 55 + R 56 (6) V r e f − V − R 15 = − V o − V − R 30 (7) V + = V − ，且R 30 = R 56 = 10R 15 = 10R 55 时，联立公式(6)、(7)可得： V o = 10 ( V x − V r e f ) (8) 其中V ref 为0.5 V，V x ∈ [0， 1 V]，根据公式(8)可计算放大后的电压V o ∈ [−5 V， +5 V]，满足A/D输入要求。 3.3. A/D同步转换模块设计及PCB布局考虑 系统采集主板包含了2片CL1606国产A/D芯片，共有16个数据输入通道，采用5 V单电源供电。该芯片内置16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器、二阶抗混叠滤波器、采样保持放大器、数字滤波器和高速串、并行接口。每个通道的输入阻抗可以达到1 MΩ，不需要外部驱动运算放大器和外部滤波电路。与GD32单片机内部自带的18通道、12位逐次逼近ADC相比，在采样速度、采样精度、同步性以及实时性都有明显优势 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]。采集系统选用±5 V单端信号输入模式，混叠滤波器3 dB截止频率为15 KHz，可过滤传感器电压信号中混叠的大于15 KHz的杂波，外部电路如图5所示。 图5. 两片CL1606 芯片16通道同步采集转换电路图 参考电压2.5 V由外部提供，精度为±0.5%。4个电源脚都配备了去耦电容，可以有效降低A/D芯片电源阻抗，及电源尖峰幅度。两片A/D芯片转换触发引脚CONVST都短接到一起连接到单片机同一个控制引脚，单片机可通过控制该引脚实现16路通道同步转换。两A/D芯片片选脚CS1、CS2分别连接单片机两个控制引脚，16路数据同步转换完成后单片机通过片选引脚分时选中不同的A/D芯片，将16位数据通过并行端口传输至单片机内进行处理。 PCB布局时A/D模块采用对称布局原则，目的是确保各通道之间性能匹配良好，16位数字量输出信号线也尽量保证长度一致原则，去耦电容紧靠各输入引脚。 3.4. 数据存储模块设计 存储模块采用常见的体积小、传输速度快、性能稳定的Micro SD卡，共有9个引脚，外围电路如图6所示。所有的数据线及控制线都外接一个10 K的上拉电阻，目的是提高数据传输过程的稳定性。SD 图6. Micro SD卡外围电路 卡支持SPI和SDIO两种接口，因本设计选用的主控芯片中自带SDIO控制器，所以采用SDIO接口与单片机通讯。通过配置寄存器使SDIO工作在高速模式，此时传输速率可达到50 MHz。采用四线传输，传输时先发低字节再发高字节，而每个字节则是先发高位再发低位，为保证数据传输的准确性，每个数据包结尾都会有CRC校验 [ 6 ]。 3.5. 数据通讯模块 此模块要实现单片机与上位机LabVIEW通讯工作，为此我们采用了SMSC公司设计生产的10/100 Mbps以太网物理层收发器LAN8720A芯片 [ 7 ]，该芯片体积小，功耗低，通过RMII与MAC相连。RJ45是一款带电压转换和LED指示灯的HY911105A网络插座。外部晶振X 1 提供25 MHz的时钟源，芯片内部可将25 MHz的时钟源倍频到50 MHz输入到时钟引脚。以太网通信功能主要通过移植TCP/IP协议LwIP实现，数据传输采用UDP传输协议。上位机LabVIEW接收到数据包后在前面板上分别显示出不同通道的波形，以供测试人员做出全面析。数据通讯模块外围电路设计如图7所示。 图7. 数据通讯模块电路设计 3.6. MCU主控模块外围电路设计 本文设计采集系统主控芯片采用兆易公司设计生产的一款单片机GD32F407。GD32F407是基于ARMCortex-M4内核的32位通用微控制器，在提高处理能力，降低功耗方面具有最佳性价比。Cortex-M4内核具有浮点单元(FPU)，可加速单精度浮点数学运算并支持所有ARM单精度指令和数据类型。它提供了内存保护单元(MPU)和强大的跟踪功能。GD32F407主频高达168 Mhz，内部集成3072 KB的片上闪存和192 KB的SRAM存储器，闪存访问零等待可极大提高运行速率。同时提供多个增强型多功能I/O口、3个分辨率12位，采样速率最高2.6 MSPS的ADC、8个16位通用定时器，2个32位通用定时器和2个16位基本定时器。它也提供多种标准的通信接口：3个SPI接口、3个I2C端口、4个USART接口、2个UART接口、2个I2S协议音频数据传输接口、2个CAN接口、1个SDIO总线接口、1个USB接口以及1个ENET接口等。单片机最小系统电路如图8所示，其中BOOT0与BOOT1都要串联电阻接地。 图8. GD32F407最小系统电路设计