船舶智能IO設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

王德民，嚴(yán)云帆，方 程

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船舶噸位的限制加上多功能的要求，使其電氣設(shè)備和系統(tǒng)的配套種類(lèi)多、密集度高，抗干擾問(wèn)題突出[1-2]。海上條件苛刻，要求船用電氣設(shè)備在安裝前必須完成高低溫、濕熱、鹽霧、搖擺、耐壓等項(xiàng)目的嚴(yán)格試驗(yàn)[3-4]。相對(duì)于陸用設(shè)備來(lái)說(shuō)，封閉狹小的船艙條件使船舶電氣設(shè)備的功耗和散熱等問(wèn)題更加突出。

智能 I/O設(shè)備是船舶電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最前端的數(shù)據(jù)來(lái)源。I/O設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換主要負(fù)責(zé)將連續(xù)的物理量通過(guò)離散采樣、量化編碼等步驟轉(zhuǎn)化為上位機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，其性能直接決定后續(xù)電氣設(shè)備的工作效率[5]。目前，模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊多采用AD7656芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，模擬量輸入常采用隔離運(yùn)算放大器[6-7]。然而，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：基于 AD7656芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，如果應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，可能因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及船艙空間狹小、散熱不利等原因，導(dǎo)致芯片燒毀，嚴(yán)重影響后續(xù)電氣設(shè)備的正常工作。

為此，本文提出了一種以L(fǎng)PC2294和AD7895芯片為核心的船用智能IO設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并從硬件接口電路和軟件設(shè)計(jì)方法兩部分對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過(guò)試驗(yàn)分析指出，相較于傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，本文提出的設(shè)計(jì)方法功耗低、采樣精度高、硬件電路更為簡(jiǎn)單，更加適用于船艦空間狹小，高溫濕熱的環(huán)境特點(diǎn)。

1 硬件開(kāi)發(fā)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為船舶智能 IO模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的整體設(shè)計(jì)方案，主要由采樣電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和CPU控制器構(gòu)成。電壓、電流傳感器采樣得到的微弱模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大及相關(guān)處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）傳送給CPU，并由CAN通訊接口上傳至上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。

圖1 船舶智能IO模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 采樣電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣電路如圖2所示，電壓和電流輸入采用相同的硬件接口，電流輸入時(shí)，開(kāi)關(guān) S閉合，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；電壓輸入時(shí)，電壓傳感器直接采樣得到電壓信號(hào)，由分壓電阻R分壓后，進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。

圖2 采樣電路示意圖

信號(hào)調(diào)理電路采用Analog Devices公司的AD620芯片，為了滿(mǎn)足不同量程輸入的要求，將不同量程范圍的微弱電壓信號(hào)放大不同的倍數(shù)后達(dá)到后級(jí)電路輸入電壓范圍。由于 AD7895芯片的滿(mǎn)量程輸入電壓為±10 V，只需將不同量程中最大的輸入電壓調(diào)整至±10 V即可，放大倍數(shù)G和反饋電阻Rg的關(guān)系如式（1）所示。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用Analog Devices公司的AD7895芯片，AD7895芯片是一款高速的12位8腳封裝的A/D轉(zhuǎn)換芯片，最大功耗僅為20 mW，該芯片還具有一個(gè)高速采樣模式和特有的低功耗休眠模式，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化完成后就進(jìn)入休眠模式，等到下一個(gè)轉(zhuǎn)化周期時(shí)才能被喚醒，從而大大降低整個(gè)電路的功耗，使電路大為簡(jiǎn)化。

為了避免信號(hào)干擾，采用ADI公司推出的磁耦隔離ADUM1402芯片，該芯片將脈沖變壓器磁耦合技術(shù)做到了芯片級(jí)，由于采用了高速的iCOMS工藝，因此在功耗、體積、集成度和速度等各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦隔離[8]。

模數(shù)轉(zhuǎn)換的硬件電路如圖3所示，采樣電路輸出的模擬信號(hào)Vin經(jīng)過(guò)AD7895芯片處理后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)ADUM1402芯片由SPI接口傳給CPU。

SPI總線(xiàn)是一種同步串行外設(shè)接口，該總線(xiàn)協(xié)議簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率高，且信號(hào)線(xiàn)較少，本系統(tǒng)只采用SPI接口的串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCK）和主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)（MISO），并選定CPU的某一I/O口作為片選信號(hào)，使能采樣芯片。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖

2 軟件開(kāi)發(fā)

進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換軟件編程時(shí)，必須先了解 AD7895芯片的工作時(shí)序，如圖4所示。A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)主要由引腳控制，當(dāng)該引腳出現(xiàn)下降沿時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)化，并進(jìn)入保護(hù)模式，同時(shí)使得BUSY輸出高電平信號(hào)，表明正在轉(zhuǎn)化；當(dāng)轉(zhuǎn)化結(jié)束時(shí)，BUSY變成低電平，并把轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)存到AD7895的輸出寄存器中，讀操作包括16個(gè)時(shí)鐘周期，通過(guò)SDATA端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃PC2294，讀取完成后，需要經(jīng)過(guò)300 ns才能進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。

圖4 AD7895工作時(shí)序圖

根據(jù)AD7895的工作時(shí)序和LPC2294的控制模式得到模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖5所示，CPU承擔(dān)了A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)緩存和CAN通訊等任務(wù)。

CPU啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括定時(shí)器和CAN中斷使能。CPU每10 ms進(jìn)入一次定時(shí)器中斷，定時(shí)器中斷主要用于處理A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。首先置低，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，至少延時(shí)40 ns后，置高；然后等待A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，即延時(shí)3.8 μs后，CPU向A/D芯片發(fā)送任意數(shù)據(jù)；最后將返回的12位采樣數(shù)據(jù)存放在變量DATA中。同時(shí)，當(dāng)CPU接收到上位機(jī)的請(qǐng)求幀時(shí)，進(jìn)入CAN中斷函數(shù)，變量DATA中的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)CAN通訊傳給上位機(jī)，供后續(xù)設(shè)備進(jìn)行分析和處理。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的軟件流程框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建如圖6所示的智能IO模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用24 V電源供電，共有10路模擬量輸入接口，模擬信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，A/D轉(zhuǎn)換后的測(cè)量結(jié)果最終通過(guò)CAN分析儀在上位機(jī)中顯示。

圖6 智能IO模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)

信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生±10 V、±5 V、0 V的模擬電壓信號(hào)，上位機(jī)的測(cè)試結(jié)果如表1所示，實(shí)際誤差小于0.5%，試驗(yàn)表明，本文提出的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠精確測(cè)量模擬輸入，并轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

表1 智能IO模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了進(jìn)一步分析基于 AD7656和隔離運(yùn)算放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)A以及本文提出的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)B之間的性能差異，采用功率測(cè)試儀和紅外熱象儀分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的功耗和運(yùn)行溫度進(jìn)行測(cè)試。

如表2所示，系統(tǒng)A的功耗為9.6 W，系統(tǒng)B的功耗為5.76 W，僅為系統(tǒng)A功耗的60%。在開(kāi)放常溫環(huán)境下，采用紅外熱象儀對(duì)系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的運(yùn)行溫度進(jìn)行測(cè)試，采用 AD7656和隔離運(yùn)算放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) A，在常溫開(kāi)放環(huán)境下的運(yùn)行溫度最高達(dá)到70℃，反觀本文提出的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) B最高在 60℃左右。

表2 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的功耗對(duì)比

4 結(jié)論

本文介紹了一種以L(fǎng)PC2294和AD7895芯片為核心的船用智能IO設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。相較于基于 AD7656芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)硬件電路更為簡(jiǎn)單，功耗僅為原有功耗的 60%，正常運(yùn)行時(shí)的溫度也遠(yuǎn)小于原有系統(tǒng)。

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