以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制信號調(diào)理系統(tǒng)

引言
在許多物理實(shí)驗(yàn)(核聚變實(shí)驗(yàn)裝置托卡馬克的放電實(shí)驗(yàn))的數(shù)據(jù)采集過程中，由于待測信號微弱且測試環(huán)境電磁輻射嚴(yán)重等因素，在數(shù)據(jù)采集前端往往需要對信號進(jìn)行濾波和放大等信號調(diào)理操作，以濾除信號噪聲并將待測信號調(diào)整到后端數(shù)據(jù)采集卡的最佳量程范圍，最終提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。
一般認(rèn)為在A／D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端增加信號調(diào)理電路以擴(kuò)展其動態(tài)范圍是必要的。信號調(diào)理系統(tǒng)的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，有效提高實(shí)驗(yàn)效率，并且減少實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)調(diào)理電路的次數(shù)。

1 程控信號調(diào)理系統(tǒng)方案設(shè)計
設(shè)計需求：
①輸入信號電壓幅值(峰-峰值)為100 mV～10 V；
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(zhì)因數(shù)可遠(yuǎn)程控制；
④放大器增益選擇及程控濾波器各項(xiàng)參數(shù)均實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制；
⑤基于Socket設(shè)計上位機(jī)控制程序；
⑥下位機(jī)IP地址、放大器增益、濾波器各項(xiàng)參數(shù)通過可視化界面管理。
基于以上設(shè)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(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制器，實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信、濾波器參數(shù)和放大器參數(shù)的遠(yuǎn)程控制，并將以上各數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，在系統(tǒng)開機(jī)或復(fù)位后能恢復(fù)關(guān)機(jī)前設(shè)置的參數(shù)值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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?？刂破麟娐穼?shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信、程控濾波器電路和程控放大器電路的參數(shù)設(shè)置。程控濾波器電路實(shí)現(xiàn)濾波器類型的選擇，以及中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的設(shè)置。程控放大器基本電路實(shí)現(xiàn)對輸入信號的增益控制。

2．1 控制器電路
基于AVR單片機(jī)的嵌入式控制器電路是整個程控信號調(diào)理系統(tǒng)的控制核心，用于接收上位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)對程控放大器放大倍數(shù)的設(shè)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(shè)計方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電路采用核心芯片AVR單片機(jī)ATmega128。ATmega128工作于16 MHz時性能高達(dá)16MIPS；內(nèi)置128 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和4 KB EEPROM，外擴(kuò)一片32 KB的SRAM KM62256；與IEEE802．3兼容的10 Mbps以太網(wǎng)控制器RTL8019AS可實(shí)現(xiàn)全雙工以太網(wǎng)通信。4 KB的EEPROM可用于保存32路程控放大器的參數(shù)，在系統(tǒng)上電或重啟后用于自動恢復(fù)掉電前的放大器狀態(tài)。LM1086為系統(tǒng)提供1．5 A、+5 V穩(wěn)壓電源。當(dāng)手動復(fù)位按鈕動作或系統(tǒng)電源電壓低于4．63 V時，MAX825L將向ATmega128發(fā)送復(fù)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(shù)設(shè)置。整個系統(tǒng)的數(shù)字地與模擬地采用單點(diǎn)接地設(shè)計，以減少控制器電路數(shù)字信號的噪聲干擾信號調(diào)理電路中的模擬信號。