数据采集电路设计的分析介绍

目前，在焊接过程实时监测和信号采集等系统中，数据通信大都通过现场总线、RS-485、RS-232或PCI接口实现。近年来，随着嵌入式以太网技术的不断发展和成熟，并且拥有传输速率高、抗干扰能力强、容量大、结构简单、成本低等优点，使其在数据采集和实时监测领域得到了很好的应用和发展^[18，19]。本节以应用最为广泛的基于PCI和以太网卡的两种采集技术情况进行介绍。

1.基于PCI的数据采集^[20，21]

基于PCI总线的数据采集系统，充分利用PCI总线的高传输速率、计算机强大的计算能力和操作系统良好的人机界面，将大量数据传输至计算机内存，然后通过自主开发的应用程序对采集的数据进行FFT等后期分析与处理，实现了数据的高速采集和传输。根据用户设备的性质不同，连接到PCI总线上的设备可分为MASTER（主控设备）和TARGET（目标设备）两种，相应的PCI接口类型也分为MASTER和TARGET两种。主控设备可以控制总线驱动地址、数据和控制信号，目标设备不能启动总线操作，只能依赖于主控设备从其中读取或向其传输数据。

通常情况下，TARGET接口适用于需要同PC慢速交换数据的接口设备，目标板上没有CPU或者有CPU但不需要控制PCI总线，不需要向PC主动地传输数据。目标板上通常有A/D、D/A转换，数字I/O和S/P（串、并）转换，复杂一点的可配置单片机、CPLD和FPGA等。MASTER接口则适用于需要同PC快速进行数据交换的接口设备或者在不希望PC干预的情况下交换数据的接口设备，目标板上必须安装CPU，比如单片机、DSP、ARM或ASIC等芯片。数据采集卡将采用MASTER，即主控设备接口，原因有两个：①采集系统的数据传输是由目标板发起的，采集卡开始工作后通常处于待机状态，只有当运动的目标到来时，才产生触发信号，进而引发数据的采集和传输；②为了提高数据传输速率，在数据采集过程中要采用DMA（Direct Memory Access）方式，即直接存储器存储，这种方式要求数据采集卡必须为主控设备。

图3-12是典型的使用大规模可编程逻辑器件实现基于PCI接口的雷达数据采集系统的框图，FPGA作为系统的总控制枢纽，内置了多个功能部件，主要包括采集控制模块、数据缓冲模块和PCI接口逻辑模块。除了FPGA芯片之外，还有A/D、D/A、配置FPGA用的PROM以及用来存储数据的SRAM等。

图3-12 用FPGA实现的基于PCI总线的数据采集系统

这种方案采用FPGA+PCI软核的方式，将用户逻辑与PCI核集成在一片FPGA中。用户可根据实际要求配置PCI软核，并可以通过顶层仿真及下板编程验证PCI接口以及用户逻辑设计的正确与否，具有很高的灵活性。如图3-13所示，一种典型的基于PCI总线的数据采集卡的设计方案，数据采集卡包括信号调理、模数转换、数据缓冲、PCI接口和逻辑控制五个功能模块。

图3-13 基于PCI总线的数据采集卡总体设计方框图

可以看到，信号调理模块对输入的模拟信号进行滤波和放大，将信号调理至适合A/D输入电压的范围内，在采样时钟的控制下，调理后的模拟信号通过模数转换模块转换为12bit的数字信号输入数据缓冲模块，缓冲模块中的数据经过PCI接口以DMA方式写入计算机内存中，逻辑控制模块负责协调各模块的逻辑关系，控制数据的采集和PCI总线传输。(www.xing528.com)

2.基于以太网卡数据采集

基于以太网卡（TCP/IP）的电弧能量信号采集模块主要由ARM控制器、电流电压采样电路、A/D转换模块、存储单元以及网络接口电路组成，其结构如图3-14所示。该模块采用以太网进行双向通信，相比较USB、RS-232、PCI等数据传输方式，基于以太网TCP/IP协议的传输方式具有数据传输速率高，传输容量大，抗干扰能力强，传输距离远，易于安装使用等优势^[22]。而焊接过程的复杂多变，电弧信号干扰严重，因此要求信号采集和监测系统具有很好的实时性和可靠性。将以太网通信应用到双丝埋弧焊的电弧能量信号监测中，能有效克服这些困难，提高系统监测的实时性和可靠性，以保证焊接过程中采集系统能稳定可靠地进行。

如图3-14所示，其中A/D转换器的分辨率为16Bit，采用真硬件同步，每路独立运放、独立A/D，抗干扰能力强。采集到的主从机电流和电压信号经A/D模块转换成数字信号，再通过以太网控制器处理打包后从网络接口传送给上位机。网络接口电路以单片以太网控制器DM9000AEP为核心，信号采集模块与上位机之间的通信通过双绞线连接实现。将该采集模块作为电弧能量信号采集系统的核心部分，可以实现双丝埋弧焊两电弧对应的四路电流电压信号同步采集和存储。

图3-14 基于TCP/IP的电弧能量信号采集模块

接口电路部分主要包括网络接口电路、电流和电压采样电路。根据双丝埋弧焊过程电弧能量信号实时采集的任务要求，结合基于TCP/IP的电弧能量信号采集模块，设计了网络接口、焊接电流采样电路以及焊接电压采样电路。

网络接口主要由RJ45连接器和以太网控制器DM9000AEP组成。DM9000AEP是DAVICOM公司设计的一款高集成、低成本的单片以太网物理层控制器，具有处理器接口可通用、低能耗和高处理性能的特点，且外围电路设计简单^[23]。DM9000AEP符合Ethernet标准，支持IEEE802.3全双工的流量控制模式和半双工CSMA/CD流量控制模式；集成10/100Mbps自适应全双工数据收发器；内置16KB的SRAM，其中13KB用作接收缓冲区，3KB用作发送缓冲区；支持8/16位数据总线，中断申请以及I/O基地址选择，对内部寄存器的操作简单。以太网接口采用集成网络变压器的RJ45连接器，通过双绞线连接到上位机，实现基于以太网的数据通信。网络接口硬件连接示意图如图3-15所示。

图3-15 网络接口硬件连接示意图