徐聰輝 李彩 張振昭

摘要：為配合高靈敏度硅光電倍增管實(shí)現(xiàn)100-1700范圍17個(gè)角度水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)的寬動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度同步測(cè)量，設(shè)計(jì)一種基于10通道32bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1262和STM32系列單片機(jī)的20通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合體散射函數(shù)測(cè)量的具體應(yīng)用需求及ADS1262自身的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)ADS1262的濾波模式、采樣速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ADS1262采用1200S/s、sinc3濾波模式配置時(shí)，完成20通道A/1]轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)10Hz，ADS 1262有效位可達(dá)23 bits，單通道2.5S/s采樣速率，sinc4濾波模式下，有效位數(shù)可達(dá)26bits。整套系統(tǒng)具有高精度、低功耗、小體積、高可移植性等特點(diǎn)，適用于各種寬動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)的量化處理及存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);體散射函數(shù);ADS 1262; STM32;多通道

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0112-06

收稿日期：2018-12-21;收到修改稿日期：2019-03-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41176083，41576030）;廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201707020023）;熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目（LTOZZ1602）

作者簡(jiǎn)介：徐聰輝（1993-），男，黑龍江哈爾濱市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楹Ｑ蠊鈱W(xué)技術(shù)、光學(xué)儀器。

通信作者：李彩（1977-），女，甘肅白銀市人，研究員，博士，主要從事海洋光學(xué)技術(shù)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。.

0 引言

海洋光學(xué)中，體散射函數(shù)是描述光在水體中某一散射體上散射光角度分布的一個(gè)重要的固有光學(xué)特性參數(shù)。利用體散射函數(shù)及吸收/衰減系數(shù)可以推算得到水體及其組分的所有特征性固有光學(xué)特性參數(shù)及遙感反射率。其在水色遙感[1]水下軍事目標(biāo)跟蹤[2]、生態(tài)系統(tǒng)建模及近海災(zāi)害的預(yù)警預(yù)告[3]等領(lǐng)域中有著重要的研究意義，體散射函數(shù)，尤其是覆蓋0°～180°范圍的廣角水體體散射函數(shù)測(cè)量是水體光學(xué)特性研究中一個(gè)十分棘手的國(guó)際難題，這主要?dú)w因于散射光信號(hào)強(qiáng)的方向性[4]，能量主要集中在前向小角度，后向能量極其微弱，前后向不同角度甚至不同海區(qū)同一角度散射能量相差可達(dá)5個(gè)量級(jí)，其中90°～120°散射光能量最微弱，要求探測(cè)系統(tǒng)必須具備納瓦級(jí)微弱光信號(hào)探測(cè)能力。

目前對(duì)水體體散射函數(shù)的測(cè)量主要基于單一探測(cè)器機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)式和多探測(cè)器同步陣列式兩種測(cè)量方式[5]，轉(zhuǎn)動(dòng)式測(cè)量技術(shù)基于單一光源、單一探測(cè)器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光源或探測(cè)器實(shí)現(xiàn)0°～180°范圍不同角度散射通量及體散射函數(shù)的測(cè)量，該測(cè)量方式雖具有較高的角度分辨率，但測(cè)量?jī)x的重復(fù)性較差，測(cè)量頻率低，功耗較高，不適用于水下原位測(cè)量，陣列式探測(cè)技術(shù)基于在不同方向固定安裝探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)不同角度光通量同步采集（即多通道測(cè)量），具有速度快、重復(fù)性和可靠性高等優(yōu)勢(shì)[2，6]。

本文在采用硅光電倍增管解決寬動(dòng)態(tài)范圍微弱光高靈敏度探測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款基于ADS1262和STM32單片機(jī)的多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20通道模擬信號(hào)的高精度量化及實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)可根據(jù)需要實(shí)時(shí)或后下載至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可適用于各種精密儀器儀表及傳感系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件主要由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、測(cè)量及供電控制模塊等核心功能模塊組成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)水體1001700范圍內(nèi)17個(gè)角度體散射通量、00透射（衰減系數(shù)）及I路光源參考光共19路光信號(hào)的快速同步測(cè)量，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用了兩片ADS1262支持20通道模擬信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。

為提高轉(zhuǎn)換精度，在ADS1262外圍電路設(shè)計(jì)中，將數(shù)字模擬信號(hào)區(qū)域完全獨(dú)立，對(duì)兩個(gè)區(qū)域做獨(dú)立的布線與隔離處理，在連接處大量地使用鉭電容做旁路以增強(qiáng)波紋抑制能力，對(duì)電源線和地線進(jìn)行適當(dāng)加寬與敷銅處理，PCB布線時(shí)，盡量縮短高頻器件的連線長(zhǎng)度以減少電磁干擾[7]。此外，由于ADC電源的穩(wěn)定性對(duì)輸出結(jié)果的精度有較大影響，采用了低輸出噪聲SV穩(wěn)壓芯片ADM7150ARDZ-5.0，在穩(wěn)壓器輸入與輸出端添加電容，提高電源輸出的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)采用嵌入式單片機(jī)STM32F103RE作為CPU[8]，其硬件上實(shí)現(xiàn)SPI、SDIO、I2C串行接口，方便與不同接口的外圍芯片及設(shè)備進(jìn)行通信。STM32F103RE基于SPI控制ADS1262進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并對(duì)其整合分幀后快速存入MicroSD卡或通過(guò)RS232實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，緩存入MicroSD卡的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要選擇上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，STM32F103RE與MicroSD卡之間采用SDIO通信模式，讀寫速度（2MB/S）為SPI模式的4倍以上。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用型，基于STM32F103RE內(nèi)置的16通道12位ADC，采集系統(tǒng)預(yù)留了16路模擬輸入接口。為便于實(shí)時(shí)記錄儀器水下工作深度及水溫，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫深度傳感器數(shù)據(jù)接口，可實(shí)時(shí)采集水溫和深度信息并進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

供電控制通過(guò)STM32F103RE內(nèi)置的RTC時(shí)鐘控制實(shí)現(xiàn)，RTC內(nèi)部的備份寄存器BKP可記錄采樣時(shí)間、采樣間隔，可利用RTC時(shí)鐘的鬧鐘中斷控制通斷電。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)壓模塊可提供12V、5V，3.3V直流穩(wěn)壓輸出。

2 ADS1262結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換精度控制

2.1 主要控制寄存器及功能說(shuō)明

圖2所示為ADS 1262內(nèi)部功能與主要引腳結(jié)構(gòu)。ADS1262含有21個(gè)8位工作寄存器，這些寄存可直接被讀寫，表1所列為ADS1216中寄存器地址及其功能。下面對(duì)ADS1262中幾個(gè)關(guān)鍵寄存器及其配置進(jìn)行介紹[9-10]。

MODE1、MODE2寄存器。MODE1寄存器的高三位選擇ADS1262的濾波模式（5種：FIR，SIN1～SIN4），低四位選擇ADS1262的偏置電流及極性。MODE2寄存器高四位用于可編程放大器（PGA）設(shè)置。低四位設(shè)置ADC采樣速率（2.5S/s～38400S/s）。

OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]寄存器組。OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]用于ADS 1262偏移和滿量程校正，ADS 1262可根據(jù)OFCAL[2：0]與FSCAL[2：0]中的校正系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校正。

INTERFACE寄存器。用戶通過(guò)配置INTERFACE寄存器中INTERFACE.2和INTERFACE.0位決定數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，即是否輸出STATUS狀態(tài)字節(jié)和CRC字節(jié)，數(shù)據(jù)幀最長(zhǎng)為6字節(jié)，最短為4字節(jié)，STATUS字節(jié)包含當(dāng)前輸出數(shù)據(jù)是否曾被讀取，PGA輸出是否溢出，ADC復(fù)位狀態(tài)等重要信息。

2.2 ADS1262濾波模式、采樣速率選擇

多通道數(shù)據(jù)采集模式下，通道切換的建立時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率有較大影響，這一建立時(shí)間與ADS 1262的濾波模式、采樣速率、斬波自穩(wěn)0模式（chop模式，自校正失調(diào)電壓）密切相關(guān)，ADS1262濾波階數(shù)增加，采樣速率的降低、斬波自穩(wěn)0模式的開啟可增強(qiáng)去噪能力，但會(huì)導(dǎo)致通道建立時(shí)間增加。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于自主研發(fā)廣角水體體散射函數(shù)測(cè)量?jī)x需求設(shè)計(jì)[11]。為實(shí)現(xiàn)多角度體散射函數(shù)的快速測(cè)量，測(cè)量頻率應(yīng)不低于10Hz，即對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出速率為190S/s（一組數(shù)據(jù)包含19個(gè)通道的數(shù)據(jù)）。為同時(shí)滿足A/D轉(zhuǎn)換精度（≤1μV）和轉(zhuǎn)換速率（≥190S/s），設(shè)置不同采樣速率、濾波模式及自穩(wěn)0模式開關(guān)，利用STM32內(nèi)部Systick時(shí)鐘計(jì)時(shí)，通過(guò)串口接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實(shí)際輸出速率，對(duì)滿足數(shù)據(jù)輸出速率大于190S/s的不同配置情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到5種可滿足應(yīng)用需求的模式組合方式。以實(shí)驗(yàn)室高精度穩(wěn)壓電源（準(zhǔn)確度10叮）作為模擬輸入，利用高精度萬(wàn)用表（準(zhǔn)確度0.1μV）作為同步監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)不同模式配置情況、不同輸入電壓下A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差并進(jìn)行線性擬合。

由圖3可看出，在滿足頻率要求的前提下，當(dāng)濾波模式選擇sinc3、A/D采樣率設(shè)置為1200S/s且開啟斬波自穩(wěn)0模式時(shí)，輸出數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，r²也最接近1。根據(jù)單極性0輸入下（輸入電壓為0表示模擬輸入對(duì)地短接）的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算[12-13]，該配置情況下ADS1262的有效位可達(dá)23bits，單通道2.5S/s采樣速率，sinc4濾波模式下，有效位數(shù)可達(dá)26bits。有效位數(shù)的判定是以連續(xù)15次ADC輸出值的最大誤差△計(jì)算[13]（A為輸出值的最大值與最小值之差，根據(jù)2^n-1-1≤△≤2^n-1求解n）計(jì)算公式為

2.3 ADS1262校正

由于不同角度散射光輻射能量相差很大，不同通道測(cè)量時(shí)需設(shè)置不同的PGA增益系數(shù)，需要對(duì)兩片ADS1262在不同PGA增益情況下分別進(jìn)行校正。校正過(guò)程中，首先將ADS1262輸入引腳分別進(jìn)行浮空和對(duì)地短接設(shè)置，通過(guò)單片機(jī)向ADS1262發(fā)送對(duì)應(yīng)的偏置誤差校正命令，經(jīng)內(nèi)部16次測(cè)量自動(dòng)平均后，起始偏移誤差被寫入寄存器OFCAL[2：0]中。對(duì)于增益系數(shù)校正，以PGA=1為例，在偏移誤差校正后，將ADS1262的PGA增益設(shè)置為1，利用高精度穩(wěn)壓電源，向ADS1262的模擬輸入端輸入滿量程電壓2.5V（FSR=UREF/PGA_GAIN，V_REF=2.5V，PGA_GAIN=1），但受穩(wěn)壓電源輸出精度和可調(diào)節(jié)的最小步長(zhǎng)限制，穩(wěn)壓電源輸出只能達(dá)到2.49984V（或2.50083V）。根據(jù)ADS1262增益誤差校正的原理，對(duì)真實(shí)增益參數(shù)進(jìn)行了理論估計(jì)，讀出以2.49984V為滿量程時(shí)ADS1262自校正后的FSCAL[2：0]寄存器中白雛偽0x3FF451，則FSCAL[2：0]中的增益參數(shù)可表達(dá)為：

FSCAL[2：0]=0X3FF451×2.49984/2.5=3FF344（2）

最終的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量將根據(jù)OFCAL[2：0]和FSCAL[2：0]這兩組校正寄存器中的值自動(dòng)進(jìn)行校正，公式表達(dá)為：

對(duì)比校正前與校正后ADS1262轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的誤差，得到圖4所示的結(jié)果，校正后的結(jié)果比較理想。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)在自主研發(fā)的廣角水體體散射函數(shù)剖面測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用為例，根據(jù)體散射函數(shù)剖面測(cè)量?jī)x的工作性能要求，軟件系統(tǒng)需要配合硬件完成以下功能：

1）支持儀器自動(dòng)采樣與手動(dòng)采樣兩種模式。手動(dòng)采樣模式主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器定標(biāo)和性能測(cè)試;自動(dòng)采樣模式主要用于儀器剖面測(cè)量。自動(dòng)和手動(dòng)模式在開機(jī)后通過(guò)判斷預(yù)定時(shí)間段內(nèi)是否接收到相關(guān)指令為依據(jù)。

2）儀器具有入水下放過(guò)程自動(dòng)采樣自容存儲(chǔ)、上提自動(dòng)斷電功能，避免有限電能及存儲(chǔ)空間浪費(fèi)的同時(shí)也可以確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的有效性，減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。

基于以上要求，設(shè)計(jì)如圖5所示的軟件工作流程。圖中，CPU上電進(jìn)行初始化后進(jìn)入等待延時(shí)程序，若在3min內(nèi)沒(méi)有接收到上位機(jī)的手動(dòng)測(cè)量指令，儀器將進(jìn)入到自動(dòng)采樣模式，兩片ADS1262（分別用ADC1、ADC2區(qū)分，ADC1用來(lái)測(cè)量0°～90°透射光與散射光通量，ADC2用來(lái)測(cè)量10001700散射光及1路光源參考光）的RESET/PWDN引腳被置高使ADS1262進(jìn)入PowerOn狀態(tài)，拉低ADC1的CS引腳對(duì)其選通進(jìn)行內(nèi)部控制寄存器配置，具體包括：輸入通道、PGA、采樣速率、濾波模式與自穩(wěn)。模式等。配置成功后，將ADC I的START腳置高，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC1完成一次轉(zhuǎn)換后DRDY引腳自動(dòng)置低，在外部中斷函數(shù)中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀取，切換測(cè)量通道并重新設(shè)置PGA重復(fù)上述A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，當(dāng)ADC I完成10個(gè)通道轉(zhuǎn)換后，對(duì)ADC2進(jìn)行片選、寄存器配置、不同通道A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取，如此循環(huán)，完成19路信息的快速轉(zhuǎn)換。

STM32F103RE采用雙緩沖數(shù)組的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，當(dāng)采樣數(shù)達(dá)到5組時(shí)相關(guān)標(biāo)志位置位，程序進(jìn)入到主函數(shù)，標(biāo)志位清零，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)中采用基于FATFS文件系統(tǒng)的SDIO模式將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式快速存儲(chǔ)MicroSD卡中，最大限度提高數(shù)據(jù)的讀寫速率。

自動(dòng)采樣模式下，儀器的采樣依據(jù)深度信息進(jìn)行自動(dòng)控制，采集系統(tǒng)初始化完畢后進(jìn)行深度信息采集，當(dāng)深度大于預(yù)定值（0.5m，保證儀器完全沒(méi)人水中），儀器啟動(dòng)采樣，當(dāng)采樣數(shù)達(dá)到五組后，在主函數(shù)中對(duì)深度信息進(jìn)行采集并判斷儀器所處的狀態(tài)，若 STM32F103RE判斷到儀器處于上提回收過(guò)程時(shí)，其內(nèi)置時(shí)鐘中斷生效，控制儀器自動(dòng)斷電。

4 采集系統(tǒng)測(cè)試

4.1 功耗測(cè)試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ADM7150RDZ-5.0穩(wěn)壓芯片為ADS1262的模擬電源提供5V輸入，采用LT3080穩(wěn)壓芯片STM32和ADS1262提供3.3V數(shù)字電源輸入。5V輸入電壓，工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平均功耗約為355mW。

4.2 誤差測(cè)試

配合高精度穩(wěn)壓電源與高精度萬(wàn)用表（讀數(shù)取6位，最高精度6位半），將轉(zhuǎn)換結(jié)果（AI）轉(zhuǎn)換結(jié)果為5次測(cè)量結(jié)果的均值）與輸入電壓進(jìn)行比較，測(cè)量誤差為微伏級(jí)別，輸入電壓在100mV-2 V時(shí)，測(cè)量誤差一般小于1μV，滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度測(cè)量要求（動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到5個(gè)量級(jí)以上），表2表示采集系統(tǒng)測(cè)量的誤差結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ADS1262和STM32設(shè)計(jì)的高精度多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20路模擬信號(hào)的高精度實(shí)時(shí)采集量化及自容式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)可根據(jù)需要實(shí)時(shí)或后下載至上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)具有多通道、低功耗、高精度等特點(diǎn)，采樣頻率、精度及通道數(shù)均可根據(jù)需要進(jìn)行靈活的配置和優(yōu)化，采集卡接口豐富，所設(shè)計(jì)的控制軟件對(duì)所有STM32系列單片機(jī)均具有較高的移植性，系統(tǒng)功能易于拓展，可適用于各種要求寬動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)的量化處理及存儲(chǔ)系統(tǒng)，具有很好的擴(kuò)展性和廣泛的適用性。

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（編輯：劉楊）