基于EM9170+ETA108的低成本多通道波形采集方案

提到波形采集，对于一个硬件工程师来讲，可能马上就有想到这样一个方案：首先用一片FPGA/CPLD来实现操控AD芯片的各种逻辑时序，重要的是产生精准的AD转换时钟，这个时钟的频率在一个范围内可能是需要连续可调的。由于波形采集是连续不间断的对模拟信号进行AD采样，所以可能还需要一个大容量的FIFO或双口RAM，以对采集的数据做临时的存储。另外还需要一个主控板，对采集的数据进行分析、处理、存储甚至对波形进行回放。这个主控板还需要提供一个外部中断和一个高速的总线接口，以便实时的读取采集数据，考虑到频繁的中断对系统性能的影响，可能还需要主控板提供DMA功能并提供相应驱动支持……

按照上面的思路，确实能实现高速高性能的数据采集，但要做出这样一个产品，花费的成本可见一斑。其实，在很多应用场合，用户并不需要很高的采样率，但要求系统能实现连续不断的、精确时间间隔的数据采集。比如电力谐波分析，50Hz的工频信号，按5Ksps采样率进行波形采集，就可获得达到49次的谐波，能满足大多数的应用。下面就介绍一个成本低，但性能不打折的波形采集方案。

本方案以我们的工控主板EM9170和波形采集模块ETA108构成，如图1所示：

图 1：EM9170 + ETA108 波形采集

图1中EM9170是英创公司推出的400M ARM9 WinCE工控主板，相比英创的经典产品EM9161，EM9170的性能有很大提升并加入了很多新的特性，比如操作系统升级到WinCE6.0，文件系统采用了BinFS文件系统，系统启动时间也控制在了7S之内；CPU主频提升到400M，主板平均工作电流<150mA。重要的是，作为EM9161的升级版，在性能提升的同时，价格与EM9161保持一致。

ETA108是为了进一步支持EM9170在仪器仪表，数据采集领域应用，同时也是为了方便客户使用而推出的一款低成本高性能AD采集模块。ETA108的主要性能如下：

• 8通道单端输入或4通道差分输入

• 单极性输入量程0~4V或双极性输入量程±2V

• 每通道具有独立的高阻抗增益放大器(PGA),可实现各种传感器之间的直接接口连接，并支持用户配置通道增益(Gain=1/2/4/8)

• AD转换精度12bit

• AD最高采样速度100ksps

• 可选择多种平均操作模式，使输出AD精度达到14bit

• 单5V供电

ETA108的外形尺寸仅为48mm×33mm，带有坚固插针，客户可把ETA108作为独立模块，直接插入其应用底板上，快速构建客户整机产品。相比英创公司的其他数据采集扩展模块，ETA108的一个主要特点是支持硬件周期脉冲触发AD采集，因此ETA108非常适合应用于要求高精度采样间隔的波形数据采集。

图2是由EM9170与ETA108构成的波形采集系统原理框图。ETA108每通道独立的高阻抗增益放大器(PGA)，可实现各种传感器之间的直接接口连接。同时，可支持单端或差分信号的采集。在与M9170配合使用中，使用了EM9170的高精度PWM信号作为其AD启动时钟，方便的实现精确时间间隔采样。采样率从1Hz到100Khz连续可调。为了实现ETA108的高速数据采集，在其驱动程序中，充分利用了EM9170的高性能DMA技术，从而保证了ETA108与EM9170主板之间仅靠简单的4线制SPI接口就实现了硬件连接，最大限度地降低了ETA108的硬件成本。同时，DMA技术的引入，也将数据采集对系统性能的影响降到最低。EM9170对各式彩色LCD屏提供了良好的支持，方便用户直观的对采集波形进行分析、比较。

ETA108的驱动程序，以简单易用的原则导出了几个接口函数供客户使用，我们将在这个方案后续的文章中详细介绍这些函数。考虑到实际应用，ETA108驱动程序支持单次采样模式和连续采样模式。

成本分析：在我们提供的整机方案中，通常会加入成本分析一项，目的是为了方便客户快速、直观的评估这个方案是否适用于客户自己的产品。本波形采集方案中，EM9170工控主板百片批量价为￥480/片，客户自行采购7”TFT LCD，价格大约在￥300元左右，加上我们的AD模块ETA108和客户应用底板、电源，整机成本可控制在千元之内，远低于其它同类产品。

此方案可广泛应用于多通道波形记录仪、电力谐波分析、故障录波、振动信号分析、瞬态信号采集、通用数据采集等多种应用领域。

该方案的软件图形界面实现方法参阅如下文章：《低成本多通道波形采集显示方案的软件实现方法》。