現代醫療、地質、環境監測、工業過程控制往往需要對監測點進行高速高精度的數據采集，高精度的數據采集模塊在其中得到廣泛的應用。數據采集模塊的設計決定著測量數據的精度和可靠性，因此它是構建高精度測量系統的基礎。本文提出一種基于ARM7處理器S3C4510B和A/D轉換器ADS1252構建的高精度數據采集模塊的設計方案，并介紹了該方案的軟硬件設計。

1 ADS1252芯片特性

ADS1252是美國BURR-BROWN公司推出的一款高精度、寬動態范圍、采用單+5V電源供電、具有24位分辨率的單通道A/D轉換器。它采用差分輸入方式，對于低電平電壓信號接入非常有利；它采用4階∑-△結構的調制器，可以得到寬動態范圍和24位無差錯編碼；它內部有三階數字濾波器，可以濾除電源波紋和其他干擾；它的數據輸出率可隨系統時鐘的改變而改變，當數據輸出速率達到較大40kHz時，仍具有19位的分辨率；它提供一個2線同步串行接口，可以方便的與微處理器連接。所有這些特點使得ADS1252非常適合用做高精度數據采集模塊的A/D轉換器。

2 采集模塊電路設計

本數據采集模塊設計使用的微處理器是S3C4510B，它是三星公司針對網絡應用而開發的一款性價比很高的ARM7TDMI內核的16/32位RISC微處理器，具有低成本和高性能的特點。本文以ADS1252測量電壓為例說明采集模塊電路的設計原理。S3C4510B與ADS1252的接口電路如圖1所示：其中CPU_TOUT1信號對應于S3C4510B定時器1的溢出TOUT1引腳，主要為ADS1252工作提供系統時鐘CLK；CPU_P1信號對應于S3C4510B的I/O端口P1引腳，主要為讀取ADS1252的有效數據提供串行時鐘SCLK；CPU_P2信號對應于S3C4510B的I/O端口P2引腳，主要用于檢測ADS1252數據是否準備好以及讀取有效數據DOUT而提供的串行數據引腳。

由于S3C4510B的I/O引腳的工作電壓為3.3V，而ADS1252的I/O引腳的工作電壓為5V，因此S3C4510B的CPU_TOUT1，CPU_P1，CPU_P2信號不能與ADS1252的CLK，SCLK，信號直接相連。74HC245芯片是8路總線收發器，在發送和接收兩個方向上都具有正相三態總線兼容輸出，并且其輸入、輸出的工作電壓范圍是0～VCC。本設計通過74HC245芯片使S3C4510B與ADSl252的I/O引腳的工作電壓進行匹配，并使DIR=H且，令數據從A總線傳送到B總線。

為了實現S3C4510B與ADS1252電氣信號隔離，本設計選用6N137高速光耦，它是電子線路中隔離電壓沖擊及噪聲串擾的優選器件，具有體積小、隔離效果好、價格便宜、便于安裝等特點。

REF195是一款精密、微功耗、低溫漂、高穩定性的基準電壓源。本設計選用它為ADS1252提供5V的基準電壓。ADS1252的差分模擬輸入V+，V-支持雙極性輸入，但本設計將V-引腳參考AGND，只允許單極性輸入，因此ADS1252的電壓測量范圍為0～5V。本設計在V+、V-之間并接5.1V的齊納二極管，當輸入電壓大于5.1V時，可以把V+，V-兩端的電壓穩定在5.1V，從而起到保護ADS1252的目的。

3 采集模塊軟件開發

采集模塊軟件的開發主要包括兩個方面：ADS1252驅動和采集任務軟件的開發。

3.1 ADS1252驅動的開發

由圖2(a)可知，ADS1252的驅動開發主要包括I/O初始化、時鐘初始化、ADS1252初始化、ADS1252讀數據、校準數據。現分別介紹如下：

(1)I/O初始化：由于S3C4510B的I/O端口P1、P2既可用作輸入口也可以用作輸出口，因此必須通過軟件對IOPMOD寄存器配置將P1設置為輸出口，用于產生ADS1252的串行時鐘；將P2設置為輸入口，用于讀取ADS1252的串行數據。

(2)時鐘初始化：由于S3C4510B的I/O端口P17既可用作I/O口、也可用作定時器1的溢出TOUT1，因此必須通過軟件對IOPCON寄存器配置將P17設置為定時器1的溢出TOUT1；接著通過軟件對TMOD寄存器配置將定時器1設置為觸發工作模式；較后通過軟件對TDATA1寄存器配置產生ADS1252工作所需的時鐘頻率。

(3)ADS1252初始化：當ADS1252工作在某個頻率f(t=1/f)，首先通過軟件對P1端口置1使SCLK引腳保持高電平的時間TReset滿足4TDRDY≤ TReset<20TDRDY(TDRDY=384t)，那么ADS1252就會進入復位的狀態。接著通過軟件對P1端口置0使SCLK引腳變為低電平，此時ADS1252開始工作，它的串行數據引腳首先會進入Mode，接著進入DOUT Mode模式，之后在這兩種模式之間交替切換。

(4)ADS1252讀數據：當對ADS1252進行初始化后，此時軟件通過對P2端口的輪詢檢測上升沿。一旦檢測到上升沿，表明ADS1252進入Mode，該模式的持續時間。當軟件延時后，ADS1252進入DOUT Mode，該模式持續時間TDOUT=348t。在DOUT Mode期間，軟件對P1端口產生一個脈沖，即可從P2端口讀取到1位的數據。同理，即可獲取其余23位的數據。軟件必須保證在TDOUT時間內讀完24位數據，否則ADS1252將會進入下一個數據轉換周期。

(5)校準數據：采集數據必須經過校準參數K，B的調整才能匹配實際值。其中采集電路的校準原理是采用兩個恒定電壓作為基準，通過原始的采集數據和高精度電壓表實測電壓，進行比較計算，從而得出校準參數K，B。

3.2 采集任務軟件的開發

VxWorks是美國風河公司開發的一款具有微內核、高性能、可裁剪的嵌入式實時操作系統。本采集模塊軟件是基于VxWorks5.5操作系統進行開發的，為了滿足數據采集的實時性，采集任務被分配了較高的優先級。由圖2(b)可知，采集任務軟件的開發主要包括采集數據、數據平滑處理、數據轉發、任務休眠。現分別介紹如下：

(1)采集數據：調用ADS1252驅動程序對電壓進行多次采集。

(2)數據平滑處理：除了在硬件上采取必要的抗干擾措施外，很有必要對多次的采集數據進行軟件濾波，但必須考慮因此造成的延時。在保證測量精度和實時性要求的前提下，在軟件處理上采取去掉較大、較小值，然后取平均的算法。

(3)數據轉發：采集任務除了對數據進行采集以及平滑處理外，還必須將數據定時轉發到它的訂閱者，如通信模塊、顯示模塊等。

(4)任務休眠：調用操作系統的taskDelay()函數，采集任務交出對CPU的控制權，以便讓其他任務得到運行的機會。

4 軟硬件調試

當數據采集模塊的硬件和軟件設計完畢，需要對它進行軟硬件的調試以驗證其設計的正確性。數據采集模塊軟硬件調試按以下步驟依次進行：

(1)ADS1252驅動調試：運行ADS1252驅動程序，首先用示波器監測ADS1252的CLK引腳，觀察時鐘頻率的測量值是否與設定值一致。當CLK時鐘頻率設置正確，接著用示波器監測ADS1252的SCLK與引腳，觀察這兩個引腳的時序是否正確。較主要保證串行時鐘是發生在 Mode之后，否則將會讀取到錯誤的數據。

(2)校準數據計算：在ADS1252驅動工作正常的前提下，首先用直流可調穩壓源對ADS1252的差分輸入端分別輸出1V，4V的電壓，將ADS1252采集的電壓分別記為VS1，VS2，同時將高精度電壓表測量的電壓分別記為VM1，VM2。接著通過對VS1，VS2，VM1，VM2的比較計算，得出校準參數K，B。

(3)采集任務調試：當校準參數計算完畢，啟動采集任務對實時電壓數據進行采集。在0～5V的范圍內，用直流可調穩壓源對ADS1252的差分輸入端輸出從低至高的電壓，此時采集任務通過printf()函數將采集電壓輸出到控制臺。通過對比用高精度電壓表測量的電壓值，可以計算出ADS1252的采集電壓誤差，從而判斷采集精度是否滿足要求。

5 實驗結果

現使用廣東省電子技術研究所研制的GE/FC1燃料電池測試系統對質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)工作所需的氫氣及氧氣的流量、壓力、濕度控制到合適值，然后進行電流掃描測試。在測試期間，用基于ADS1252的數據采集模塊對電流掃描測試過程PEMFC的電壓、電流的動態變化數據進行記錄；同時用安捷倫數字萬用表測量PEMFC電壓、電流的某些特征值。

由于實驗用的PEMFC采用單片Nation膜(截面積為2cm×2cm)組裝，其開路電壓不超過1.5V。首先通過測試系統控制PEMFC氫氣及氧氣流量分別為0.1SLPM，0.07SLPM；控制PEMFC氫氣及氧氣背壓均為0.05MPa；控制PEMFC氫氣及氧氣的露點溫度、氣體溫度分別為65℃，70℃。然后測試系統以1mA的起始電流，按10mA/s的增量對該PEMFC進行放電，并以“結束電流≥10A”或“結束電壓≤1mV”為條件結束測試。

為了檢測10A范圍的電流，本數據采集模塊通過檢測0.5Ω測流電阻的電壓來間接計算出電流值。本數據采集模塊測量PEMFC的極化曲線如圖3所示，并且通過比較特征電