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　　在許多物理實驗(核聚變實驗裝置托卡馬克的放電實驗)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)程控制可以實現(xiàn)信號調(diào)理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，有效提高實驗效率，并且減少實驗人員進(jìn)入實驗現(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;

　?、?個增益檔位分別為0.1、0.5、1、2、5、10、20、50;

　?、?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/濾波器/" target="_blank">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參數(shù)均實現(xiàn)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制;

　?、莼赟ocket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。控制器電路實現(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現(xiàn)對輸入信號的增益控制。

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　　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。

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　　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。