基于ARM9的高速数据采集系统的实现

摘要：随着雷达、通信、遥测、遥感等技术应用领域的不断扩展，人们对数据采集系统的采集精度、采集速度、存储量等
都提出了更高的要求。针对当前数据采集系统的缺点，提出了基于ARM9的数据采集系统的设计。详细论述了信号调理，时钟产生，数据存储与传输，抗干扰等关键技术及采取的相应措施。经实践证明，该设计方案具有采集精度高，数据采集速度快，数据存储量大的优点。

关键词：高速数据采集系统；ARM；模／数转换器；数据处理

l 引 言

　　在科研、生产和人们的日常生活中，模拟量的测量和控制是很常见的。为了对温度、压力、流量、速度、位移等物理量进行测量和控制，通过传感器把上述物理量转换成能模拟物理量的电信号，即模拟电信号，将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送入计算机，这就是数据采集。

　　数据采集的主要问题是采集速度和精度。采集速度主要与采样频率、A／D转换速度等因素有关，采集精度主要与A／D转换器的位数有关。高速数据采集系统的设计需要解决系统在速度、精度、数据存储等方面的矛盾。

2 数据采集系统的结构

　　本文介绍的数据采集系统采用Samsung公司的S3C2410微处理器。数据采集系统按照功能可分为以下几个部分：模拟信号调理电路，模数转换器，数据采集和存储，时钟电路和系统时序及逻辑电路，如图1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 数据采集系统结构图

3 数据采集系统关键技术分析

3．1 系统时钟电路设计

　　时钟信号的稳定性决定了采样系统的性能。相位噪声和相位抖动是反映时钟稳定性的的两个主要指标。其中相位噪声描述时钟信号的频谱纯度，相位抖动直接影响时钟的过零点。通常高速的AD采样系统采用三种时钟源：锁相环、晶振、模拟混频器。由于锁相环一旦失去基准频率，输出频率会立刻跳回振荡器本身的频率，此外当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大，不利与高速AD采样系统。模拟混频器速度慢，只适合在低频的条件下工作。因此，在高速电路的设计中，一般选择高频晶振作为时钟源。

　　在高速AD采样系统中，取样时钟的稳定性与信噪比的性能密切相关。任何时钟信号噪声及时钟信号相位抖动都会影响采样系统的精度，时钟信号相位抖动对模数转换信噪比(SNR)的影响，可通过公式计算：

其中：fs为采样时钟频率，N为模数转换器位数，△clk为时钟信号相位抖动量。

3．2 模数转换器的选择

　　ADC的选择除了要考虑数据输出电平，接口方式，控制时序，参考源，带宽等因素外，最重要的是根据设计需求计算动态指标：信噪比，采样率，满度范围等，从而可以得到ADC的位数、最高时钟频率、模拟输入范围等参数，既可选择所需要的ADC。本设计根据要求：采样频率20 MHz，实时采样20 Msps，转换位数12位，选择了美国AD公司的AD9224芯片。

3．3 模拟信号调理电路设计

　　被采样的信号经过模拟信号调理电路的低噪声放大，滤波等预处理后，进入输入通道。由于高速数据采集系统的输入信号多为高频信号，需要进行阻抗匹配和前置放大。因此可以选择高速低噪声信号前置放大器和信号变压器。

　　信号前置放大器的优势是放大系数可变，信号输入的动态范围大，还可以配置成有源滤波器，但是放大器的最高工作频率和工作带宽必须满足系统的需要，以避免信号失真。

　　信号变压器的性能指标要优于信号放大器，而且信号失真小。但是信号变压器的信号放大系数固定，输入信号的幅度受到限制。

3．4 硬双缓冲实现连续采集存储