中國人民解放軍92236部隊 胡黎明

在實際應(yīng)用中，有關(guān)領(lǐng)域在設(shè)計IEPE傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的過程中所使用的傳感器，具有信號動態(tài)范圍大的特點，同時幅值相對也比較高，因此并不適用于直接進行數(shù)據(jù)的采集?；诖?，為了有效提升數(shù)據(jù)采集的實際精度，并全面降低功耗，本文設(shè)計了一種IEPE傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以很好的發(fā)揮出穩(wěn)定的系統(tǒng)性能。

在近些年的發(fā)展歷程中，有關(guān)領(lǐng)域所研發(fā)出的IEPE傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，同時動態(tài)范圍也比較寬，特別是在靈敏度方面，有著較高的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了航空航天、工業(yè)監(jiān)測以及橋梁建設(shè)等領(lǐng)域當(dāng)中，可以很好的實現(xiàn)對振動沖擊的檢測與分析。

1 研究背景

當(dāng)下被廣泛使用的IEPE系統(tǒng)，其傳感器內(nèi)部的電荷放大部分，會導(dǎo)致輸出信號動態(tài)范圍比較大，同時在采集數(shù)據(jù)的過程中，出現(xiàn)幅值比較高的情況，因此無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的直接采集。在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，為了全面的提升信號精度，就需要對程控的前端信號電路進行合理設(shè)計，以此實現(xiàn)高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。對于手持式設(shè)備或者一些便攜醫(yī)療儀器而言，在戶外長時間使用的過程中，往往需要使用蓄電池供電，因此就需要設(shè)計一種低功耗且高精度的電源系統(tǒng)。但是，當(dāng)下市場上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基本上都是由單片機為主的主控芯片，無法滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理整體速度的要求，加上系統(tǒng)對連續(xù)性方面的要求也越來越高，市場上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法同時滿足高精度和低功耗兩方面要求。本文提出的設(shè)計理念，就是為了解決這樣的設(shè)計難點，采用了FPGA主控芯片，因其具備著更多的IO接口，在使用過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性也更高。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

在本文的設(shè)計方案中，基本上分為三個部分，分別為前端信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源電路等。在其設(shè)計的過程中，采用的是低功耗微型器件。首先需要接收由上位機下發(fā)的指令，實現(xiàn)對調(diào)理電路各個模塊的處理。伴隨著電路的增益，其低通濾波電路的截止頻率以及在AD上的采樣率都會在完成配置之后，將其接收到的模數(shù)信號全面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后進行相應(yīng)處理、存儲等，并可以在未來進行下一步的數(shù)據(jù)上傳。

2.2 硬件設(shè)計

對電源電路進行設(shè)計是實現(xiàn)本系統(tǒng)低功耗的關(guān)鍵步驟。本文的系統(tǒng)設(shè)計方案中，采用的是9V～15V的供電方式，需要基于FPGA主控電路以及前端調(diào)理電路。其中在FPGA以及主控電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中，需要保障數(shù)字電壓為3.3V。而在前端調(diào)理電路的設(shè)計中，則需要控制供電電壓為3V，這樣就可以很好的保障模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端的電壓控制在5V的標(biāo)準。在此設(shè)計中采用的是LT6660，這樣的設(shè)備有著較低的功耗，同時進行較為微小的封裝即可。這樣設(shè)計的效果，會呈現(xiàn)出較小的外圍電路，并不需要輸入補償點，因此極大的降低了PC版的空間。而基于當(dāng)下電壓值的實際大小，可以較為靈活的對當(dāng)下的型號以及對輸入的電壓選項進行合理的設(shè)計，這樣就形成了基于低功耗且小體積的設(shè)計方式，并合理的應(yīng)用到系統(tǒng)中。

2.3 前端信號調(diào)理

在前端調(diào)理電路的設(shè)計中，基本上涵蓋了幾個重要的模塊信息。首先，在恒流源的接口電路上，主要是為了與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、IEPE傳感器進行連接，因此其既可以為傳感器提供電力，同時也可以將傳感器當(dāng)中的模擬電壓值接入到采集系統(tǒng)當(dāng)中。衰減模塊的作用是將原本的振動信號控制到10倍以下。在本文的設(shè)計中，其采用的是基于低功率雙路運算放大器的設(shè)計方式，因此可以保障在整體系統(tǒng)的運行中，可以提升電路信號方面的帶負荷能力。其次，在這樣的設(shè)計方式下，也可以很好的保障整體信號的穩(wěn)定性，特別方便之處是其并不需要改變輸入信號。在進入到AD之前，還要加入精準運算的放大器，這樣就能構(gòu)成一個電壓跟隨模塊，以此實現(xiàn)與模塊轉(zhuǎn)換電路之間的阻抗匹配。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中，采用的是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時使用了低功耗微型控制器。為了進一步減少系統(tǒng)在運行中的信號干擾，就需要提升AD利用的有效性，其中在輸入端位置可以加入一階無源低通RC濾波器；同時為了全面提升AD的精度，還可以參考輸入電壓的設(shè)計范圍，這樣就可以讓其滿足系統(tǒng)的運行要求。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用的是參考電壓為2.5V的設(shè)計方案，這樣可以極大的滿足本文的設(shè)計要求。圖1為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

在手動的模式下，其FPGA首先會通過SDI引腳配置，完成這個配置之后，就可以接收到來自EOC方面的信號反饋，進而通過引腳的控制方式來完成AD的采樣率調(diào)整。完成了以上全部的設(shè)計之后，就可以很好的對轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)信息進行針對性的發(fā)送，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的手動控制操作。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)論分析

在本文的設(shè)計過程中，系統(tǒng)在放大倍數(shù)、截止頻率以及采樣率等方面都可以實現(xiàn)良好的可控效果，極大的提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈活性，全面降低了硬件設(shè)計方面的成本投入，同時對于設(shè)計方案而言也較為可靠。

一方面，基于軟硬件相結(jié)合的設(shè)計方式，可以提升硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的靈活性并提升數(shù)據(jù)的校準能力；另一方面，在此設(shè)計過程中，本系統(tǒng)也具備低功耗的特征，使得其靜態(tài)功耗較低，極大的降低了系統(tǒng)運行中的實際功率損耗。特別是對于這樣的系統(tǒng)類型而言，有著較低的體積，其不僅可以很好的適用于IEPE傳感器，同時也可以很好的滿足不同類型的傳感器數(shù)據(jù)采集方面的需求。

3 設(shè)計方案測試分析

3.1 電路測試

在FGGA的配置過程中，其模塊的實際增益效果提升了1倍。而在成孔濾波器的模塊使用中，其截止的頻率為40kHz，因此在進行分析時就需要確保輸入信號調(diào)整幅值為4V，并保障測試時可以基于科學(xué)合理的信息內(nèi)容，進行有針對性的調(diào)整。

在分析中發(fā)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中的封裝LT3494可以持續(xù)性的為衰減模塊提供穩(wěn)定的電壓，運行期間可以基于低靜態(tài)電流以及低輸出電壓紋波的相關(guān)性能，進而降低系統(tǒng)中的靜態(tài)功耗，并全面提升數(shù)據(jù)采集的整體精確度。

3.2 電路系統(tǒng)功耗情況

實際設(shè)計時設(shè)計人員需要采用低功耗的方式，降低整體系統(tǒng)的功耗，因此需要開展功耗方面的測試。電源的電路模塊、前端信號調(diào)理模塊以及在數(shù)模轉(zhuǎn)換的過程中，都需要對靜態(tài)功耗進行測試，才可以發(fā)揮出良好的運行效果。

3.3 精度試驗

將AD的采樣率控制在最低200kHz的純度并配置手動操作的模式，同時在前端調(diào)理電路中可以通過FPGA提升效果1倍以上；而在濾波器方面，會使得濾波器的介質(zhì)頻率為100Hz。為了保障在未來的測試過程中，能夠有針對性的對系統(tǒng)進行有效處理，就需要確保在實際的測試過程中利用良好的設(shè)計方式實現(xiàn)對其數(shù)字量的全面轉(zhuǎn)換。

總結(jié)：綜上所述，本文所提出的系統(tǒng)設(shè)計方案中，從解決系統(tǒng)中的運行效率、功耗消耗等角度出發(fā)，對當(dāng)下的實際運行邏輯進行了針對性的改進，以此可以有效的滿足當(dāng)下系統(tǒng)的運行要求，可以很好的利用其低功耗的促進作用，進而實現(xiàn)系統(tǒng)性能的全面提升。