第一章绪论
对多通道采集，通道间的干扰成了一个主要的问题，多个通道采集不一样的信号，是否会发生通道间的串扰，具体的来说，当某一个通道信号发生突变时，是否对器上一个或下一个通道采集的信号有干扰。故该实验的测试方法是将第一通道输入固定值，在第通道输入从小到大变化的信号值，观察第一通道信号的跳动幅度，看采集数据与输入固定值的偏差。根据多次试验表明，无论第二通道数据如何变化，第一通道采集到的数据都维持在固定值附近，基本保持输入固定值不变，误差为允许误差。进行多次测量，测量结果基本一致。这说明本数据采集系统设计过程满足要求，可以达到多通道的数据采集，通道间的干扰基本不存在。验证了上述问题之后，进行采集系统的综合测试，将全部通道都接上信号进行测试。各个通道接入不同的信号输入值，在采集过程中将外部输入信号不定时的改变，在相同输入下通道采集值基本稳定在信号输入值左右，当信号输入值发生改变时，采集数据值也随之变化，实时性能稳定、精度高。在进行上位机采集界面的设计中，按照2.2.4 节中涉及的方法计算各个通道采集到的数据的峰-峰差值、平均值、平均噪声、峰-峰值噪声、均方值噪声、峰-峰值分辨率、均方值分辨率等。对其进行相对应的参数设置，利用软件中特定的分析功能对采集过程中采集板的采集精度进行分析，研究有哪些因素影响数据采集的精度。本文中主要是观察不确定度。采样速率对不确定度的影响，设置信号源输出2.OOOOV 的电压信号，在其他条件不变的条件下，只是改变采样速率(分别设置采样速率为20Hz,110Hz),分析采集到的采集结果。数字滤波器是数字信号处理的重要技术分支，利用它在形形色色的信号中提取所需要的信号，并抑制不需要的干扰、噪声信号。数字滤波器实质是利用有限精度算法来实现离散时间线性时不变系统，对信号进行滤波处理。数字滤波器最基本的功能是频谱整形或频率选择性功能，即让信号中某些频率成分通过，同时还要阻止另外一些频率成分通过，因此常将这种滤波器称为选频滤波器。线性时间不变量(LTI)滤波器是数字滤波器中最为普通的。线性时将不变量与其输入的信号相互作用，经过线性卷积过程。线性卷积过程定义如下，其中f 是数字滤波器的脉冲响应，x 为输入信号，y 为卷积的输出。根据单位冲激响应的时间特性可以将数字滤波器分为有限冲激响应(FIR)和无限冲激响应(IIR)滤波器两种。FIR 滤波器是经过有限个采样值组成，每个采用时刻的卷积数量有限个；而IIR 滤波器则需要执行的卷积次数是无限的。数字滤波器的实现既可以是一台由数字硬件装配完成的用于完成滤波计算功能的专用设备，也可以是由计算机完成的一组运算程序。与IIR 滤波器相比较，FIR 滤波器计算比较简单、稳定性和实用性较强，采用直接的计算机规范和算法进行分析的，主要缺点就是在数据处理时需要很多的系数去近似期望响应。在整个数据采集系统，电路板中各元器件的布局、各信号走线、电源走线对其会有一定得影响。因此依据缩短传输信号线的长度、尽量避免高频信号和电磁信号的干扰等原则合理的设计电路板，对整个系统性能提高有不可替代的作用，在电路板的PCB 布局与布线过程中，要严格遵循布局布线规则，将模拟部分与数字部分尽可能地分开，尽量在靠近器件的VCC 端并联去耦电容，设计过程着重考虑系统的抗干扰问题。具体来说，设计PCB 板中元器件的布局走线要求从以下几个方面实现系统的防电磁干扰。
(1)在电路板的布板过程中，元器件位置的排列非常重要，元器件对整个系统的抗电磁干扰要慎重考虑。在布局上要求模拟信号、数字信号和大电流开关等部分进行合理的分开，减小这三者之间的信号耦合，尽可能地缩短各部件之间的引线，以达到减小电磁干扰的性能。
(2)在数据采集系统中，造成干扰最严重的一般都是由电源引进的，合理的设计系统的供电电路，尽可能地较少电源源头引进的干扰噪声。在数据采集中，信号分为信号和数字信号，两种不同的信号间要进行分开布置，将模拟电源、模拟地与数字电源数字地在电路板的布置上区分开，避免两种信号间产生干扰。系统在供电过程中不仅仅是为系统供电，还会将电源线中的噪声信号带到系统中，控制电路中的一些中断线、复位线等一些控制线路易受外界的噪声干扰，需要将这些控制线间的间距适当的加大，以防数据间的串扰。尽可能的避免电路板中共模电流的产生并流向电路板内部。
3 系统硬件电路设计.......................................................................................20
3.1 电源模块设计...........................................................................................................20
3.2 通讯模块设计...........................................................................................................22
3.3 多通道采集控制模块设计.......................................................................................24
3.4 硬件抗干扰和高精度设计.......................................................................................27
4 基于FPGA 的FIR 数字滤波器的设计..........................................................30
4.1 FIR 数字滤波器基础................................................................................................30
4.2 FIR 数字滤波器设计................................................................................................34
4.3 基于分布式（DA）算法的FIR 滤波器的实现.......................................................37
5 系统的调试过程与实验结果.........................................................................41
5.1 系统调试概述...........................................................................................................41
5.2 系统软硬件调试.......................................................................................................42
5.3 测量效果和精度分析...............................................................................................43
5.4 不确定度分析...........................................................................................................44
5.4.1 采样速率对不确定度的影响........................................................................44
5.4.2 滤波算法对精度的影响................................................................................45
总结
本文主要是研究在多通道数据采集过程中如何提高精度和提高系统抗干扰能力。在整个系统设计过程中，查阅大量的相关文献，分析了本课题研究的背景和意义，介绍了国内外研究现状，了解了数据采集系统的设计原理，结合电磁兼容技术完成了多通道数据采集、电源以及通讯等模块的电路设计。测试和分析整个采集系统的硬件电路，对多通道数据采集、电源以及通讯等模块中数据采集精度的提高和抗干扰能力进行分析和改进。本课题研究设计数据采集系统中多项关键技术，研究成果如下：
(1) 结合电磁兼容技术对PCB 电路板设计，减少硬件对系统精度和抗干扰能力的影响；
(2) 利用一系列软件措施，降低系统中干扰信号，提高系统采集精度；
(3) 设计了一个基于FPGA 的FIR 数字滤波器；
(4) 在测试过程中，对抗干扰、数据采集精度和一些不确定度进行详细分析，以提高精。
由于时间和个人相关理论知识及专业知识掌握有限，虽然在一定程度上满足了设计要求，仍有一些不足需要改进：
(l)修改上位机软件使其向智能化发展，比如在软件中增加多重滤波器算法等模块；
(2) 将功能模块细化，更严格的祛除系统中的干扰信号；
(3) 数据采集系统的精度可以进一步得到提升。
参考文献
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