基于正交矢量放大的MRS信号采集模块设计---- 采集模块硬件设计(三) 硬件

Bazinga

4.5采集电路
4.5.1采集电路设计要求
锁定放大器的两个通道的信号同步性要求很高，需要同步采集芯片来实现。另考虑到仪器的需要，使本采集模块能够采集信号全波，采集芯片至少需要3个采集通道。由于采集的是信号包络，采样率不要求太高，本设计中采用1/4倍Lamor频率来进行采集。本设计中选择6通道同步采集芯片AD7656来实现.
4.5.2 AD7656电路实现



AD7656电路图如图4.19所示。AD7656是16位，6通道同步采集芯片，可以工作在串行或者并行模式下。本设计中对采样率要求不高，而单片机I/O口有限，所以选择工作在串行模式下。在串行模式下，一些管脚都进行了必要的接地。为了采集的精确性，芯片所有的AVCC和AGND之间都接了滤波电容，消除电源中的干扰。AD7656有V1～V6六个模拟输入管脚，组成了A、B、C三对同步采集组。经过低通滤波器后的同相、正交两路信号分别输入V1、V2管脚，由单片机控制CONVST A管脚来实现同步采集的开始与结束。MRS信号直接输入V3管脚，需要的时候由单片机控制CONVST B管脚来实现信号全波采集的开始与结束。剩下的V4、V5、V6管脚作为扩展接口使用。

AD7656采集与数据传输时序图如图4.20所示。单片机将CONVST A管脚置高电平控制开始采集，AD7656将V1、V2管脚检测到的电平转换为二进制数，存在内部寄存器中。在CONVST A的上升沿，BUSY管脚置高电平表示芯片正在转换。转换完成后，BUSY管脚恢复低电平，通知单片机开始接收二进制数据。单片机检测到BUSY管脚恢复低电平后，将CS管脚置低电平，并产生SCLK时钟接收AD7656寄存器内的二进制数据。数据传送完后，单片机将CS管脚恢复高电平，CONVST A管脚恢复低电平，采集完成。


4.6通讯电路
4.6.1 485通讯接口电路
通讯接口采用SP3483芯片，单片机作为下位机与上位机进行通讯。工作电压为3.3V，挂接到系统总线上，传输协议采用485通讯方式，通讯采用半双工方式SP3483在串行接口通信中，是很实用的接口电路，不仅通讯电路结构简单，而且功能齐全，在通信距离、传输速度、驱动负载能力方面均较理想，而且抗干扰能力较强，提高了通讯可靠性。

单片机通过中断口P3.3口控制485总线的流向，正常时为接收状态，需要发送指令时，将端口置高，发送下位机相关数据。在该芯片的6和7脚并联100欧姆的电阻，增加通讯系统的可靠性。硬件电路连接如图4.21所示。



4.6.2同步信号输入接口电路
系统主控板卡与采集模块之间用同步信号来进行通讯，为了避免同步信号对采集模块的干扰，采用光电隔离器6N137来实现同步信号输入接口电路。

光电隔离器是单片机应用系统中常采用的一种隔离电压冲击和电磁干扰的器件，它把发光器件和光敏器件集成在一起通过光实现耦合，构成电——光——电转换的器件。由于光电隔离器输入端和输出端之间的联系是通过光来实现的，可以实现很好的电气隔离。6N137是高速光电隔离器，适用于对数据传送速度要求较高的场合。6N137的内部电路框图如图4.22所示。



6N137的工作原理是，信号从2脚和3脚输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流——电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。

6N137的具体电路如图4.23所示。



电阻R28起电流保护作用，从主控板来的外同步信号经过接口P8输入6N137，6N137输出OSY信号到CPLD.
第五章采集模块软件实现
5.1 JLMRS仪器主控软件工作过程
核磁共振找水仪的主控软件工作过程如下：
首先系统初始化，包括软件初始化设置以及硬件初始化设置。软件初始化包括载入系统默认参数、调取注册表中该软件参数及仪器工作参数信息，如叠加次数，传送页数据量、建立数据文件等；硬件初始化包括设置当地的Lamor频率值、开始采集时间、采集时间等。

初始化系统后，上位机给大功率电源模块传送工作过程中所需要的电压，电源模块达到所设定值时，通知上位机。上位机收到电压准备好命令后，发射控制模块和脉冲产生模块产生发射脉冲，并开始发射。此时线圈、配谐电容以及发射模块组成谐振回路，线圈上产生当地lamor频率的正弦大功率激发脉冲，由线圈辐射的电磁场激发地下水中氢质子发生核磁共振现象，发射一定时间（发射时间，一般为40ms）后停止发射。由于发射停止后线圈上还存有残余能量，此时需要将线圈上及回路中其他部件上的残余能量释放掉，故系统需要在一定时间（即死区时间1）内通过特定电路释放能量。释放能量完毕后，系统通过切换开关线圈切换至接收状态，因切换开关切换过程本身存在一定延时，且自身的干扰，故切换过程需要有一定的延时（即死区时间2），延时结束后，信号采集模块采集信号。采集完毕后，将数据传送至上位机，并进行数据的处理与解释。

由主控软件的工作过程可知，采集模块首先需要设定Lamor频率值、开始采集时间、采集时间等。设置Lamor频率值是为了确定采样率，本采集模块采用1/4倍Lamor频率的采样率来进行采集。系统开始发射后，采集模块要在线圈回路中的残余能量释放完并且切换开关切换到接收状态后才能开始采集，所以需要设定开始采集时间（大于死区时间1+死区时间2）。

5.2通讯协议格式
5.2.1仪器系统通讯协议
核磁共振找水仪的通讯协议（Protocol）采用SYRIS的一种标准通讯协议，协议格式如表5.1所示。



详细说明如下：
SOH和END都是一个字节的控制字符：
SOH：控制器端定义为  ＜0x09＞：上位机向下位机传送数据及指令；
     设备端定义为    ＜0x0A＞：下位机向上位机传送数据。

END：控制器及设备端均固定为＜0x0D＞
其中为＜0x＞十六进制表示法。

TYPE：为标志号，固定为一个字节，本仪器通讯协议此位固定为A.
ID：为设备号，固定为一个字节，本采集模块的ID位为S.当上位机控制器端传送的ID值与模块地址编号相同时，该模块将会接收控制器端所传送的数据，而模块响应时，也会传回相同的地址编号。

FC：是通讯功能码（Function Code）。

DATA：数据段，其大小为不固定字节，根据设备的命令不同字长而不等。

BCC：错误检查代码（BCC CHECK）为两个字节，校验方法采用累加和的方法，第一个字节为高位，第二个字节为低位。
上位机对下位机的操作，无论成功与否，下位机均发送返回指令。

返回操作命令字：
成功返回：' S '
校验错误：' B '
功能错误：' W '
操作错误：' C `

5.2.2采集模块通讯协议



模块说明：本模块为数据采集模块，本模块ID号为S（0x53）。

本模块协议固定格式头为：

发送（HEX）：09 41 53；返回（HEX）：0A 41 53.
本模块FC功能表表5.2所示。

FC.P
＜发送协议格式＞

此功能码是上位机向采集模块发送Lamor频率、采集时间、开采时间等参数。



DATA：如设置Lamor频率为2300（08FC），采集时间为250（00FA），开采时间为90（5A），则发送的10个数据参数为：
30H，38H，46H，43H，30H，30H，46H，41H，35H，41H

＜返回协议格式＞
采集模块向上位机返回信息。



DATA：
接收正确（`S`）：53H.
接收错误（`C`）：43H.
FC.R
＜发送协议格式＞
此功能码是上位机发送传送采集数据指令。



DATA：
数据正确，传送下一组数据（`R`）：52H；
数据错误，重新传送本组数据（`W`）：57H；
传送完毕（`E`）：45H.
＜返回协议格式＞
采集模块向上位机返回信息。



DATA：采集数据分为4部分，分别为噪声X分量、噪声Y分量、信号X分量、信号Y分量。对应的数据参数为：
NX+采集数据：4EH，58H，……；NY+采集数据：4EH，59H，……；
SX+采集数据：53H，58H，……；SY+采集数据：53H，59H，……。

FC.K
＜发送协议格式＞
此功能码是上位机发送开始采集指令。



＜返回协议格式＞
采集模块向上位机返回信息。



采集模块向上位机返回信息。

DATA：
接收正确（`S`）：53H.
接收错误（`C`）：43H.
FC.E
＜发送协议格式＞
此功能码是上位机发送设备检测指令。



＜返回协议格式＞
采集模块向上位机返回信息。



DATA：
接收正确（`S`）：53H.
接收错误（`C`）：43H.