一种低成本微功耗的高精度数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低成本微功耗的高精度数据采集系统，包括信号调理模块、A/D转换模块、微控制器、电源模块和数据存储模块，所述信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路；本发明专利技术提出的数据采集系统是基于微功耗、微型化、高精度的原则设计，采用电池供电，体积小，可便携，能够同时采集8通道的数据，采样精度可达12位，采样速率可达200k?bit/s，整个数据采集系统的静态电流低于2毫安，平均电流低于10毫安，数据存储容量达到32兆位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种低成本微功耗的高精度数据采集系统。
技术介绍
目前，在许多工业自动化测控、远程数据采集及传输等应用领域，比较典型的应用模式仍是采用各种传感器来测量现场的各种物理量(如压力、温度、湿度等)，传感器将这些被测物理量转换为微小的电信号(一般为电压信号)。这些电信号一般都是模拟信号，且 信号幅度一般都很微小，往往还包含有不需要的频率成分(如来自于干扰源)，一般不能直接使用。需要通过信号调理后，把这些模拟信号变换为合适的信号形式，使其适用于模/数转换器(ADC)的输入。随后，由ADC将这些模拟信号转换为数字信号，并把数字信号送到微控制器(MCU)，由微控制器将采集到的数据实时存储到相应的数据存储芯片中，以便用于进一步的数据处理或随后传输到远程控制端。综上可见，要完成现场各种信息(如压力、温度、湿度等)的数据采集和存储功能，需要设计一个能够实现信号调理、模/数转换、采集并存储数据的数据采集系统。为了使该数据采集系统能够长时间、以较高精度采集并存储数据，需要对该系统进行综合的一体化设计，应将功耗、精度、成本等因素综合考虑，形成一套完整的解决方案。常规的数据采集模块通常包含在特定的工业测控仪器设备内部，往往是针对特定的应用环境而设计，专用性强，成本较高。市面上针对数据采集现场开发的微功耗低成本的通用型数据采集产品很少见，尤其是能够同时完成信号调理、模/数转换、能够以较高精度(如12位以上)进行多通道采集并存储数据，同时具有微功耗特色的数据采集产品基本上还是一个空白。
技术实现思路
对于工业自动化测控、远程数据采集及传输等应用领域，需要对现场各种物理量(如压力、温度、湿度等)信息进行长时间采集和存储，本专利技术提出了一种低成本、微功耗、高精度的数据采集系统的一体化解决方案，能够在应用现场以较高精度进行长时间的数据采集和存储。本专利技术中包括了信号调理模块、A/D转换模块及数据存储模块和电源模块等的具体设计方法。本专利技术的技术方案如下—种低成本微功耗的高精度数据采集系统，包括信号调理模块、A/D转换模块、微控制器、电源模块和数据存储模块，所述信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路；选用具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122作为信号放大电路；信号放大电路中需在Ref引脚接入I个I. 25V的电压基准信号，使信号放大后的实际有效范围为O I. 25V和I. 25 2. 5V ；INA122的I脚和8脚之间连接了一个IK Ω电阻和一个IOK Ω可调电阻，使得INA122的信号放大倍数G在一定范围内可调；滤波电路采用巴特沃斯型的二阶低通滤波电路；采用TI公司的LM385-1. 2微功耗电压基准芯片构成所述的电压基准电路，为整个系统提供I. 25V的基准电压；所述微控制器为TI公司的MSP430F149芯片；所述MSP430F149内部集成有多通道、高速A/D转换模块ADC12，能提供8通道12位精度的A/D转换；数据存储模块为ATMEL公司的32兆位FLASH存储器AT45DB321B。本专利技术提出的数据采集系统是基于微功耗、微型化、高精度的原则设计，采用电池供电，体积小，可便携，能够同时采集8通道的数据，采样精度可达12位，采样速率可达200kbit/s，整个数据采集系统的 静态电流低于2毫安，平均电流低于10毫安，数据存储容量达到32兆位。附图说明图I为数据采集系统的结构框图；图2为信号调理模块的电路图；图3为MSP430F149与AT45DB321B的电路连接示意图；图4为数据采集程序的流程图；图5为AT45DB321B页面写子程序的流程图；图6为电源模块的电路图。具体实施例方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。微功耗和较高的数据采集精度是本数据采集系统设计时要优先考虑的两个核心问题，同时还要考虑实际成本和系统体积的要求。本数据采集系统的现场使用性要求其电流消耗尽可能小，以降低系统的功耗，延长电池的供电时间。因此，微功耗设计是系统总体设计的重要内容，它不仅能降低系统功耗，还使系统具有较低的电磁辐射和较高的可靠性。如图I所示，数据采集系统包括信号调理模块、A/D转换模块、微控制器、电源模块和数据存储模块，信号调理模块完成对被测物理量多路信号的放大、滤波及整形，将这些经过调理的模拟信号送入A/D转换模块进行A//D转换变化为数字信号。在这个过程中，系统精度不仅直接取决于A/D转换模块的性能，还与信号调理模块、电源模块密切相关，因此应综合考虑各部分的性能要求，进行整体设计以达到最佳的设计效果。一个设计良好的数据采集系统，必须在模拟电路部分能输出质量较高的模拟信号前提下，具有较高的采样精度和足够的采样速率(保证信号能不失真地回放)；具有多通道信号采集能力；配合基于中断结构的数据采集及存储程序，能实现应用现场输入信号的长时间采集及存储。信号调理模块如图2所示，信号调理模块的作用是将传感器输出的微弱电信号(通常为电压信号)不失真地放大或调整到能够直接由A/D转换模块采样的幅度足够的电信号。且信号调理模块对其前级的传感器和后级的A/D转换模块的影响要尽可能的小。信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路，主要实现信号的缓冲、放大、整形及滤波等功能。为有效放大传感器输出的有用差分信号，信号调理模块中的信号放大电路应具有较强的共模抑制和差动放大能力，实际共模抑制比高，输入阻抗较大，失调和温漂较小，这些都能有效减小信号放大电路对传感器输入信号的影响，减少温度误差。同时信号调理模块中的滤波电路应采用同相结构的精密运放和RC网络组成有源滤波电路，这样既能提供一定的增益和缓冲作用，又可以减小对后级尤其是A/D转换的影响。信号调理模块应具有低成本、微功耗、微型化等特点，能够在单电源下工作，其信号放大范围要与A/D转换时所需要的信号幅度相一致。信号放大电路信号调理模块中的信号放大电路必须满足以下设计要求具有较强的共模抑制和差动放大能力，实际共模抑制比高，输入阻抗较大，失调和温漂较小，微功耗，外围元器件少，体积小，能够在单电源下工作。一般来说，基于同相输入的三运放差动放大电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号的优点。但是基于精密运放搭建的三运放差动放大电路，运放之间的互相补偿难度较大，且补偿精度不易控制，电阻不易精确匹配，增大了电路安装和调试的工作量和难度，同时也对降低系统成本、提升系统集成度不利。 本模块中选用了具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122作为信号放大电路。INA122的最大共模输入电压可达到3.4V，具有高共模抑制比(96db)、高输入阻抗(1010 Ω)、低失调电压(100 μ V)、低输入偏置电流(IOnA)和低温漂(I μ A/°C )。INA122是专为便携式、基于电池供电的微功耗应用而设计，具有很低的静态电流(< 60μ A)和较宽的电源范围(2. 2V 36V)。其增益可通过一个高精度外接电阻设置出5 10000倍的放大能力。如图2所示，ΙΝΑ122的Ref引脚是参考电压输入端。如本系统中A/D转换时的下限电压是0V，上限电压是2. 5V，故信号放大电路中需在Rrf引脚接入I个I. 25V的电压基准信号，使信号放大后的实际有效范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本微功耗的高精度数据采集系统，其特征在于，包括信号调理模块、A/D转换模块、微控制器、电源模块和数据存储模块，所述信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路；选用具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122作为信号放大电路；信号放大电路中需在Ref引脚接入1个1.25V的电压基准信号，使信号放大后的实际有效范围为0～1.25V和1.25～2.5V；INA122的1脚和8脚之间连接了一个1KΩ电阻和一个10KΩ可调电阻，使得INA122的信号放大倍数G在一定范围内可调；滤波电路采用巴特沃斯型的二阶低通滤波电路；采用TI公司的LM385？1.2微功耗电压基准芯片构成所述的电压基准电路，为整个系统提供1.25V的基准电压；所述微控制器为TI公司的MSP430F149芯片；所述MSP430F149内部集成有多通道、高速A/D转换模块ADC12，能提供8通道12位精度的A/D转换；数据存储模块为ATMEL公司的32兆位FLASH存储器AT45DB321B。

【技术特征摘要】
1.一种低成本微功耗的高精度数据采集系统，其特征在于，包括信号调理模块、A/D转换模块、微控制器、电源模块和数据存储模块，所述信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路；选用具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122作为信号放大电路；信号放大电路中需在Ref引脚接入I个I. 25V的电压基准信号，使信号放大后的实际有效范围为O I. 25V和I. 25 2. 5V ；INA122的I脚和8脚之间连接了一个IKQ电阻和一个IOKQ可...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦纯，张国鹏，卢虹冰，廖琪梅，霍旭阳，常小红，见伟平，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：