引言

在許多物理實驗(核聚變實驗裝置托卡馬克的放電實驗)的數據采集過程中，由于待測信號微弱且測試環(huán)境電磁輻射嚴重等因素，在數據采集前端往往需要對信號進行濾波和放大等信號調理操作，以濾除信號噪聲并將待測信號調整到后端數據采集卡的最佳量程范圍，最終提高整個數據采集系統(tǒng)的分辨率。

一般認為在A/D轉換器前加一個增益為2的前置放大電路可使測量分辨率增加1位，增益為4則分辨率將增加2位，以此類推。因此，在數據采集系統(tǒng)前端增加信號調理電路以擴展其動態(tài)范圍是必要的。信號調理系統(tǒng)的以太網遠程控制可以實現信號調理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，有效提高實驗效率，并且減少實驗人員進入實驗現場調節(jié)調理電路的次數。

1 程控信號調理系統(tǒng)方案設計

設計需求：

①輸入信號電壓幅值(峰-峰值)為100mV～10V；

②8個增益檔位分別為0.1、0.5、1、2、5、10、20、50；

③濾波器類型可選，中心頻率和品質因數可遠程控制；

④放大器增益選擇及程控濾波器各項參數均實現以太網遠程控制；

⑤基于Socket設計上位機控制程序；

⑥下位機IP地址、放大器增益、濾波器各項參數通過可視化界面管理。

基于以上設計需求，本系統(tǒng)主要包括以下部分：控制器模塊、程控濾波器模塊、程控放大器模塊和上位機數據采集控制程序。系統(tǒng)以AVR單片機為控制器，實現嵌入式以太網通信、濾波器參數和放大器參數的遠程控制，并將以上各數據存儲在非易失性存儲器中，在系統(tǒng)開機或復位后能恢復關機前設置的參數值。

2 系統(tǒng)硬件設計

如圖1所示，系統(tǒng)硬件電路由控制器電路、程控放大器電路和程控濾波器電路組成。控制器電路實現嵌入式以太網通信、程控濾波器電路和程控放大器電路的參數設置。程控濾波器電路實現濾波器類型的選擇，以及中心頻率和品質因數的設置。程控放大器基本電路實現對輸入信號的增益控制。

2.1 控制器電路

基于AVR單片機的嵌入式控制器電路是整個程控信號調理系統(tǒng)的控制核心，用于接收上位機數據采集控制程序發(fā)出的指令，實現對程控放大器放大倍數的設置等操作。該控制器電路在Ethernut 1.3g開源軟硬件嵌入式系統(tǒng)設計方案的基礎上進行了重構，結構如圖2所示。

該電路采用核心芯片AVR單片機ATmega128。ATmega128工作于16MHz時性能高達16MIPS；內置128KB系統(tǒng)內可編程Flash和4KB EEPROM，外擴一片32KB的SRAM KM62256；與IEEE802.3兼容的10Mbps以太網控制器RTL8019AS可實現全雙工以太網通信。4KB的EEPROM可用于保存32路程控放大器的參數，在系統(tǒng)上電或重啟后用于自動恢復掉電前的放大器狀態(tài)。LM1086為系統(tǒng)提供1.5A、+5V穩(wěn)壓電源。當手動復位按鈕動作或系統(tǒng)電源電壓低于4.63V時，MAX825L將向ATmega128發(fā)送復位信號，引發(fā)系統(tǒng)重新啟動。

控制器通過ATmega128上的I/O端口控制放大電路與濾波電路的參數設置。整個系統(tǒng)的數字地與模擬地采用單點接地設計，以減少控制器電路數字信號的噪聲干擾信號調理電路中的模擬信號。

2.2 程控濾波器電路

常用濾波器是由RC元件和集成運放所組成的有源濾波電路。其濾波特性與電阻R和電容C的精度密切相關，由它們組成的參數可調濾波器不僅對器件的精度要求較高，而且電路結構復雜，不易于實現程序控制。MAX261是一款雙二階開關電容有源濾波器。濾波器參數f0(中心或拐點頻率)、Q值、MODE(模式)均可由微處理器分別編程寫入，無需外接元件即可構成帶通(BP)、低通(LP)、高通(HP)、陷波(N)及全通(AP)有源濾波器。

圖3為MAX261構成的程控濾波器電路。MAX261的4位地址線(A0～A3)、2條數據線(D0～D1)和1條寫使能允許信號(/WR)，分別與ATmega128的I/O端口連接，使控制器可以通過I/O端口對MAX261的各參數進行程序控制。如圖3右側所示，通過短路冒可以選擇3種不同的濾波器類型(低通、帶通和高通)。

2.3 程控放大器電路

多路開關和運算放大器相結合是實現程控放大器的簡易、有效的方法。利用多路開關來改變反相運算放大器的反饋電阻或者輸入電阻，可以達到改變增益大小的目的。對于精度要求高的場合，可以選用高精度的運放和電阻，并配合相應的增益標定以滿足系統(tǒng)要求。

如圖4所示，程控放大器電路主要由低噪聲精密運放OP27和8選1模擬開關MAX308組成。OP27是低噪聲、精密運算放大器，失調電壓為25μV且最大漂移為0.6μV/℃，非常適合于精密儀表應用。在10Hz下，低噪聲、低噪聲轉折頻率以及高增益這些特性，使其能對低電平的信號進行精密的高增益放大。8MHz的增益帶寬積和2.8V/μs的轉換速率，使該放大器在高速數據采集系統(tǒng)中保持極好的動態(tài)精度。程控放大器單位增益時，帶寬要求為100kHz，OP27是能夠滿足的。MAX308的輸入輸出范圍達-10～+10V，導通電阻小于100Ω，導通電阻一致性小于3Ω，可以滿足系統(tǒng)需求。為節(jié)省I/O口，控制信號由MC74HC595進行串行/并行轉換后再實現MAX308的開關切換，進而完成信號增益的調節(jié)。電阻選用RJJ型精密小型金屬膜電阻，精度為±0.5%，溫漂系數為±50×10-6/℃。

在圖4的電路中，通過軟件控制開關的閉合或斷開，用于選擇不同反饋電阻來改變電路的增益。但該方法的缺點也是顯而易見的：由于切換開關與反饋電阻串聯，開關的導通電阻將影響放大器的增益?？紤]到速度和精度的要求，取輸入電阻Rin=10kΩ，對應于8個檔位0.1、0，5、1、2、5、10、20、50的反饋電阻Rf分別為1kΩ、5kΩ、10kΩ、20kΩ、50kΩ、100kΩ、200kΩ、500kΩ。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據設計需求，軟件部分要求：

①控制器電路支持TCP/IP協議的以太網通信；

②通過網頁瀏覽器或上位機數據控制軟件登錄程控信號調理系統(tǒng)，并對濾波器參數和放大器增益進行查看、修改和保存。

運行于ATmega128之上的嵌入式軟件是基于RTOSNut/OS的嵌入式以太網應用設計，應用程序的核心任務是實現以太網通信并解析指令實現對后續(xù)硬件電路的控制。應用程序包含了兩個線程：一個是主線程(即TCP服務器端線程)，另一個是放大器參數群設置線程。在Nut/OS中這兩個線程被設置成相同的優(yōu)先級。

主線程程序流程如圖5所示。主線程首先進行CPUI/O端口配置、定時器T2模式設置，以及IP、MAC、Mask和Gateway配置，恢復CPU掉電前程控放大器的放大倍數和程控濾波器的濾波參數，在創(chuàng)建放大器參數設置線程后將進入TCP，Socket服務器端程序，并開始偵聽TCPSocket客戶端引入的連接，在接收到客戶端發(fā)出的指令后將執(zhí)行相應的動作。WrAmp字符串為放大器的放大倍數指令，可用于設置放大器的放大倍數；RAAmp指令用于從EEPROM中獲取放大器參數并發(fā)往客戶端；SetMX用于從指令中獲取濾波參數值；q[uit]用于斷開連接。

放大器參數群設置線程程序流程如圖6所示。采用這種雙線程參數設置結構，可以在確保指令被后續(xù)硬件電路正確執(zhí)行的前提下，縮短TCP Socket的連接時間，加快上位機數據控制軟件對多個程控信號調理系統(tǒng)批量控制的速度。

為了便于單機調試，嵌入式程序設計中還增加了http服務線程，系統(tǒng)管理員使用Web瀏覽器即可訪問ATmega128上的靜態(tài)網頁，對濾波器參數和放大器增益進行查看、修改和保存。

在上位機開發(fā)可視化的數據控制軟件，通過Socket套接字實現數據控制軟件與ATmega128間的通信。ATmega128程序作為服務器端，而上位機數據控制軟件作為客戶端，客戶端設置好服務器端的IP與端口號，即可通過Socket套接字進入連接狀態(tài)，雙方便可進行信息交換。上位機數據控制軟件由此控制程控信號調理系統(tǒng)的濾波器參數和放大器增益，進行查看、修改和保存。此種控制方式可以滿足上位機數據控制平臺對眾多程控信號調理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

4 系統(tǒng)性能測試

濾波器MAX261的設置可通過控制器ATmega128對其編程控制來構成低通、帶通濾波器。該濾波器設置了8級的截止頻率、中心頻率和Q值，理想的頻率設置范圍為18～32kHz(步進2kHz可調)，Q值設置范圍為0.5～4.0(步進0.5可調)，濾波器的測試采用示波器雙通道跟蹤。

如表1所列，CH1為輸入信號，CH2為四階低通濾波后的輸出信號。輸入信號CH1峰-峰值為1.00V左右，頻率從100Hz逐漸上升到40kHz時，截止頻率設置為25kHz。其值可通過程序進行修改，通帶內比較平坦，滾降特性一般。

表2給出了相同輸入信號不同Q值下的測試結果，可知隨著Q值的增大，輸出信號的幅度衰減系數也跟著變大。低通濾波其他點的頻率、Q值以及帶通濾波器的測試結果在此不一一列舉，具體特性可通過示波器進行觀察。

結語

基于嵌入式以太網技術實現的程控信號調理系統(tǒng)，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)與TCP/IP協議實現了程控信號調理，網內用戶可以實現對輸入信號濾波參數和放大器增益的遠程控制。該系統(tǒng)操作安全可靠，設置方便簡單，適用于需要進行信號調理的大型物理實驗等場合。