以太网的远程控制信号调理系统

引言
    在许多物理实验(核聚变实验装置托卡马克的放电实验)的数据采集过程中，由于待测信号微弱且测试环境电磁辐射严重等因素，在数据采集前端往往需要对信号进行滤波和放大等信号调理操作，以滤除信号噪声并将待测信号调整到后端数据采集卡的最佳量程范围，最终提高整个数据采集系统的分辨率。
    一般认为在A／D转换器前加一个增益为2的前置放大电路可使测量分辨率增加1位，增益为4则分辨率将增加2位，以此类推。因此，在数据采集系统前端增加信号调理电路以扩展其动态范围是必要的。信号调理系统的以太网远程控制可以实现信号调理系统的统一管理，有效提高实验效率，并且减少实验人员进入实验现场调节调理电路的次数。

1 程控信号调理系统方案设计
    设计需求：
    ①输入信号电压幅值(峰-峰值)为100 mV～10 V；
    ②8个增益档位分别为0．1、0．5、1、2、5、10、20、50；
    ③滤波器类型可选，中心频率和品质因数可远程控制；
    ④放大器增益选择及程控滤波器各项参数均实现以太网远程控制；
    ⑤基于Socket设计上位机控制程序；
    ⑥下位机IP地址、放大器增益、滤波器各项参数通过可视化界面管理。
    基于以上设计需求，本系统主要包括以下部分：控制器模块、程控滤波器模块、程控放大器模块和上位机数据采集控制程序。系统以AVR单片机为控制器，实现嵌入式以太网通信、滤波器参数和放大器参数的远程控制，并将以上各数据存储在非易失性存储器中，在系统开机或复位后能恢复关机前设置的参数值。

2 系统硬件设计
    如图1所示，系统硬件电路由控制器电路、程控放大器电路和程控滤波器电路组成。控制器电路实现嵌入式以太网通信、程控滤波器电路和程控放大器电路的参数设置。程控滤波器电路实现滤波器类型的选择，以及中心频率和品质因数的设置。程控放大器基本电路实现对输入信号的增益控制。

2．1 控制器电路
    基于AVR单片机的嵌入式控制器电路是整个程控信号调理系统的控制核心，用于接收上位机数据采集控制程序发出的指令，实现对程控放大器放大倍数的设置等操作。该控制器电路在Ethernut 1．3g开源软硬件嵌入式系统设计方案的基础上进行了重构，结构如图2所示。

    该电路采用核心芯片AVR单片机ATmega128。ATmega128工作于16 MHz时性能高达16MIPS；内置128 KB系统内可编程Flash和4 KB EEPROM，外扩一片32 KB的SRAM KM62256；与IEEE802．3兼容的10 Mbps以太网控制器RTL8019AS可实现全双工以太网通信。4 KB的EEPROM可用于保存32路程控放大器的参数，在系统上电或重启后用于自动恢复掉电前的放大器状态。LM1086为系统提供1．5 A、+5 V稳压电源。当手动复位按钮动作或系统电源电压低于4．63 V时，MAX825L将向ATmega128发送复位信号，引发系统重新启动。
    控制器通过ATmega128上的I／O端口控制放大电路与滤波电路的参数设置。整个系统的数字地与模拟地采用单点接地设计，以减少控制器电路数字信号的噪声干扰信号调理电路中的模拟信号。
2．2 程控滤波器电路
    常用滤波器是由RC元件和集成运放所组成的有源滤波电路。其滤波特性与电阻R和电容C的精度密切相关，由它们组成的参数可调滤波器不仅对器件的精度要求较高，而且电路结构复杂，不易于实现程序控制。MAX261是一款双二阶开关电容有源滤波器。滤波器参数f0(中心或拐点频率)、Q值、MODE(模式)均可由微处理器分别编程写入，无需外接元件即可构成带通(BP)、低通(LP)、高通(HP)、陷波(N)及全通(AP)有源滤波器。

    图3为MAX261构成的程控滤波器电路。MAX261的4位地址线(A0～A3)、2条数据线(D0～D1)和1条写使能允许信号(／WR)，分别与ATmega128的I／O端口连接，使控制器可以通过I／O端口对MAX261的各参数进行程序控制。如图3右侧所示，通过短路冒可以选择3种不同的滤波器类型(低通、带通和高通)。
2．3 程控放大器电路
    多路开关和运算放大器相结合是实现程控放大器的简易、有效的方法。利用多路开关来改变反相运算放大器的反馈电阻或者输入电阻，可以达到改变增益大小的目的。对于精度要求高的场合，可以选用高精度的运放和电阻，并配合相应的增益标定以满足系统要求。

    如图4所示，程控放大器电路主要由低噪声精密运放OP27和8选1模拟开关MAX308组成。OP27是低噪声、精密运算放大器，失调电压为25μV且最大漂移为0．6μV／℃，非常适合于精密仪表应用。在10 Hz下，低噪声、低噪声转折频率以及高增益这些特性，使其能对低电平的信号进行精密的高增益放大。8 MHz的增益带宽积和2．8 V／μs的转换速率，使该放大器在高速数据采集系统中保持极好的动态精度。程控放大器单位增益时，带宽要求为100 kHz，OP27是能够满足的。MAX308的输入输出范围达-10～+10 V，导通电阻小于100 Ω，导通电阻一致性小于3Ω，可以满足系统需求。为节省I／O口，控制信号由MC74HC595进行串行／并行转换后再实现MAX308的开关切换，进而完成信号增益的调节。电阻选用RJJ型精密小型金属膜电阻，精度为±0．5％，温漂系数为±50×10-6／℃。
    在图4的电路中，通过软件控制开关的闭合或断开，用于选择不同反馈电阻来改变电路的增益。但该方法的缺点也是显而易见的：由于切换开关与反馈电阻串联，开关的导通电阻将影响放大器的增益。考虑到速度和精度的要求，取输入电阻Rin=10kΩ，对应于8个档位0．1、0，5、1、2、5、10、20、50的反馈电阻Rf分别为1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、200 kΩ、500 kΩ。

3 系统软件设计
    根据设计需求，软件部分要求：
    ①控制器电路支持TCP／IP协议的以太网通信；
    ②通过网页浏览器或上位机数据控制软件登录程控信号调理系统，并对滤波器参数和放大器增益进行查看、修改和保存。
    运行于ATmega128之上的嵌入式软件是基于RTOSNut／OS的嵌入式以太网应用设计，应用程序的核心任务是实现以太网通信并解析指令实现对后续硬件电路的控制。应用程序包含了两个线程：一个是主线程(即TCP服务器端线程)，另一个是放大器参数群设置线程。在Nut／OS中这两个线程被设置成相同的优先级。

    主线程程序流程如图5所示。主线程首先进行CPUI／O端口配置、定时器T2模式设置，以及IP、MAC、Mask和Gateway配置，恢复CPU掉电前程控放大器的放大倍数和程控滤波器的滤波参数，在创建放大器参数设置线程后将进入TCP，Socket服务器端程序，并开始侦听TCPSocket客户端引入的连接，在接收到客户端发出的指令后将执行相应的动作。WrAmp字符串为放大器的放大倍数指令，可用于设置放大器的放大倍数；RAAmp指令用于从EEPROM中获取放大器参数并发往客户端；SetMX用于从指令中获取滤波参数值；q[uit]用于断开连接。
    放大器参数群设置线程程序流程如图6所示。采用这种双线程参数设置结构，可以在确保指令被后续硬件电路正确执行的前提下，缩短TCP Socket的连接时间，加快上位机数据控制软件对多个程控信号调理系统批量控制的速度。

    为了便于单机调试，嵌入式程序设计中还增加了http服务线程，系统管理员使用Web浏览器即可访问ATmega128上的静态网页，对滤波器参数和放大器增益进行查看、修改和保存。
    在上位机开发可视化的数据控制软件，通过Socket套接字实现数据控制软件与ATmega128间的通信。ATmega128程序作为服务器端，而上位机数据控制软件作为客户端，客户端设置好服务器端的IP与端口号，即可通过Socket套接字进入连接状态，双方便可进行信息交换。上位机数据控制软件由此控制程控信号调理系统的滤波器参数和放大器增益，进行查看、修改和保存。此种控制方式可以满足上位机数据控制平台对众多程控信号调理系统的统一控制。

4 系统性能测试
    滤波器MAX261的设置可通过控制器ATmega128对其编程控制来构成低通、带通滤波器。该滤波器设置了8级的截止频率、中心频率和Q值，理想的频率设置范围为18～32 kHz(步进2 kHz可调)，Q值设置范围为0．5～4．0(步进0．5可调)，滤波器的测试采用示波器双通道跟踪。
    如表1所列，CH1为输入信号，CH2为四阶低通滤波后的输出信号。输入信号CH1峰-峰值为1．00V左右，频率从100 Hz逐渐上升到40 kHz时，截止频率设置为25 kHz。其值可通过程序进行修改，通带内比较平坦，滚降特性一般。

    表2给出了相同输入信号不同Q值下的测试结果，可知随着Q值的增大，输出信号的幅度衰减系数也跟着变大。低通滤波其他点的频率、Q值以及带通滤波器的测试结果在此不一一列举，具体特性可通过示波器进行观察。

结语
    基于嵌入式以太网技术实现的程控信号调理系统，利用嵌入式实时操作系统与TCP／IP协议实现了程控信号调理，网内用户可以实现对输入信号滤波参数和放大器增益的远程控制。该系统操作安全可靠，设置方便简单，适用于需要进行信号调理的大型物理实验等场合。