[模組] 德州儀器 ADC 24-bit 類比訊號擷取模組 (資料擷取)

- 1月 14, 2016

前言

這次接到一個任務，內容是類比訊號的資料擷取，CNC 加工機上面有不少感測器，其中震動感測和電流感測是我這次所要擷取的資料。原本連接在加工機上已有兩個 ADC 資料擷取裝置：研華 USB-4716 和國家儀器 NI-9234，這兩個設備將收集到的資料透過 USB 傳到 PC 端。這次，我必須想辦法將其取代掉，再以 PLC 控制器取代 PC。

首先，這兩個設備的主要功能是類比訊號擷取器，用來收集加工機上面的震動訊號和電流訊號。加工機上面安裝了一個震動感測器 (Dytran 3055B3)，將震動訊號轉成電壓，再由 NI-9234 將電壓轉成數位資料。另外，加工機上面也安裝一個電流感測器 (Topstek TU12P10A)，將電流轉成電壓訊號，再由研華 USB-4716 將電壓轉成數位資料。首先，我先查詢了 NI-9234 和 USB-4716 資料解析度，分別是 24-bit 和 16-bit，於是從淘寶網站上找到一個 ADC 16-bit 的模組，而且具有八個通道，正好能滿足需求，所以買來研究看看，如圖一所示。這模組上的 ADC 晶片是由德州儀器 TI ADS1256 所構成的核心。另外，我發現這塊模組被用於 Arduino 平台上，官網有提供其 library。

圖一：德州儀器 TI ADS1256 類比訊號模組

之前，曾設計開發過一個控制器 (Windshear)，系統底板的插槽可以提供 5V 電源和 SPI 通訊介面。於是，我將這塊類比訊號模組加工改造後，接到控制器的底板上，如圖二所示。大功告成後，修修改改一下控制器的 STM32F207 韌體程式，啟用 SPI 介面和 GPIO 中斷，便能開始測試模組了。

圖二：Windshear 控制器加上 ADS1256 模組

元件規格

ADS1256 晶片是一顆具有 24-bit 解析度和八個通道的類比數位轉換器 ADC，根據 datasheet 來看，其內容提到取樣頻率可達 30k SPS (每秒 30k 個取樣點)，每個取樣點具有 24-bit 解析度。解析度影響資料的精準度，解析度的位元越高，資料則可以精準到小數點以下更多位。除了要留意解析度之外，取樣頻率則影響資料的頻寬，如果擷取的資料屬於變動較小，例如溫濕度...瞬間變動不會很劇烈，取樣頻率可以選擇較低些。如果擷取的資料是高速變化的話，取樣頻率則必須考慮較高一點，才不會造成資料失真的情況。通常，取樣率和解析度都與價格成正比，想要越高資料準度付出的代價越多。

圖三是 ADS1256 晶片內部的方塊圖，圖中左側是一個多工選擇器，同一時間只能選擇一個通道進行 ADC 轉換。由於這顆晶片取樣頻率可達 30k SPS，如果八個通道都要使用的話，平均一個通道的取樣頻率約 3.75k SPS 左右 (實際應該會比這個值低)。也就是說，只有一個通道使用的情況下才能滿足單一通道取樣率為 30k SPS。

圖三：ADS1256 晶片內部方塊圖

開發過程

這塊模組以 SPI 介面通訊，外加一根 DRDY pin 用來通知資料轉換是否完成了。ADS1256 有兩種讀取資料的方式：單筆或連續，分別如圖四或圖五所示。單筆模式下，當 DRDY pin 拉低之後，我們才能發出讀取的命令，從圖四觀察，DRDY 頻率為 30KHz (這是取樣頻率)，在 DRDY 的低電位期間，SCK 發出四組 (8-bit 命令 + 24-bit 資料)。

圖四：單筆讀取資料

連續模式下，只要我們一開始對晶片發出 "連續讀取" 命令後，當 DRDY pin 拉低之後，觸發中斷，SCK 只要發出三組 (24-bit 資料)，便能讀取到 24-bit 資料了，如圖五所示。值得留意的是兩者模式的 DRDY 寬度不太一樣，單筆模式的 DRDY 低電位的時間比較長 (28us)，而連續模式下的 DRDY 低電位的時間比較短 (17us)。

圖五：連續讀取資料模式

實現展示

我將上述的整個系統操作過程拍攝成影片，如下所示。24-bit ADC 模組板嵌入接在 WindShear 控制背板上，並與主控板相連。影片中，用一個可變電阻產生的電壓當作 ADC 的輸入訊號。而 WindShear 主控板收集 ADC 模組輸入訊號後，透過網路將訊號資料傳送到 PC 端，PC 軟體再將這些訊號繪製成圖，方便監控者在遠端監看其變化。操作過程中，當我改變可變電阻，在 PC 端的軟體上可觀察到電壓數值的變化。此外，我們除了從 PC 端觀察電壓的變化，Windshear 系統還可以將電壓數值紀錄在 SD 卡內，然後再做數據分析。

影片：擷取 ADC 訊號並繪製成圖的操作過程

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