基于dsp的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

孫元杰 周士貴 宋磊

摘? 要： 針對DSP內(nèi)部AD采樣電路精度低等問題，設(shè)計了一種以AD7606高精度實時的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行采集交流信號，并介紹分析了AD7606得硬件電路和軟件設(shè)計。最后通過實驗對比了DSP TMS320F28335內(nèi)部AD和AD7606這兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換得精度，相對于DSP TMS320F28335內(nèi)部AD，AD7606具有采樣精度更高，誤差小，能夠高速采樣，適用于永磁同步電機的數(shù)據(jù)得采集轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞： AD7606;硬件電路;高速采樣

中圖分類號： TP274.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.026

本文著錄格式：孫元杰，周士貴，宋磊. 基于DSP的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（10）：105108

【Abstract】： Aiming at the low accuracy of the internal AD sampling circuit of the DSP， a high-precision real-time digital-to-analog converter based on the AD7606 is designed， and the hardware circuit and software design of the AD7606 are introduced and analyzed. Finally， the two AD-analog conversion precisions in the DSP TMS320F28335 and AD7606 are compared through experiments. Compared with the DSP TMS320F28335 AD， the AD7606 has higher sampling accuracy， less error， and high real-time performance. Acquisition conversion.

【Key words】： AD7606; Hardware circuit; High-speed sampling

0? 引言

隨著永磁同步電機的廣泛應(yīng)用，各種控制算法控制理論的不斷在永磁同步電機的控制中應(yīng)用。然而現(xiàn)在主流的永磁電機的控制大部分是基于矢量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種算法的應(yīng)用，在電機的矢量控制過程中需要采集三相交流信號和直流測的母線電壓。信號采集的準(zhǔn)確性對整個系統(tǒng)的控制尤為重要。只有從基礎(chǔ)上提高準(zhǔn)確性才能夠讓電機的控制算法體現(xiàn)出本有的優(yōu)勢，如果采集的信號不精準(zhǔn)不實時反而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了反作用。

ADC是數(shù)據(jù)采集的一重要的環(huán)節(jié)，DSP TMS320F28335內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換速度慢誤差大分辨率低不能夠很好得滿足要求，針對此問題本文采用了具有8通到且每一通道為16位的AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[1]，此芯片轉(zhuǎn)換速度快且分辨率高可實現(xiàn)性能優(yōu)異的信噪比（SNR），滿足測量交流小信號的性能指標(biāo)。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)AD7606相對于DSP TMS320F28335內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊具有更高得精度，更小的誤差等，能夠?qū)τ来磐诫姍C控制的性能和穩(wěn)定性有很大的提升。

1? 硬件電路的設(shè)計

基于dsp的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有四部分組成具體如圖1，該系統(tǒng)的四部分分別為：信號轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、DSP主處理器模塊、電源模塊。各個模塊的功能如下：

（1）信號轉(zhuǎn)換模塊：該模塊的主要作用是將電機測的三相交流電流信號經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換為小信號。

（2）信號采集模塊：該模塊的主要作用是將信號處理之后的信號，進(jìn)行采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（3）DSP主處理器模塊：該模塊是整個系統(tǒng)的控制單元，控制AD7606的轉(zhuǎn)換啟動等等。

（4）電源模塊：該模塊為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，確保整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。

1.1? 信號調(diào)理電路

由于三相交流測采用電流互感器進(jìn)行采樣，本文所采用的是變比為1000∶1且額定電流為10 A的電流互感器。由于電流互感器輸出的信號中存在負(fù)值，不能夠直接送給AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，因此選用了如圖2所示的信號處理電路，首先需要將電流信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號因此在互感器的輸出側(cè)接一電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號（10 V-10 V）。然后使用opa2350設(shè)計的一電壓抬升反向差分放大電路將10～10 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號。圖中Vref為1.8v的電壓信號，Vsh-U Vsh-V，為10～10 V的電壓信號。

抬升的電壓：1.8*R141/（R141+R121）=1.5 V。

放大倍數(shù)：（R101+R111）/R81=0.15。

1.2? AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606

本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用的是具有16位同步采樣的8通道AD7606作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度最高為200 kS/S[2]。該芯片相對于其他模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片片內(nèi)含有多種功能的電路，例如具有片內(nèi)的模擬輸入箝位保護(hù)電路，無需自己設(shè)計保護(hù)電路;具有片內(nèi)二階抗混疊濾波器，無需進(jìn)行外部濾波器的設(shè)計，同時由于內(nèi)部含有輸入阻抗高達(dá)11 MΩ高輸入阻抗調(diào)理電路，因此又省略了驅(qū)動電路的設(shè)計，大大的簡化了整體電路的設(shè)計。由于本文所采用的并行通信，雖然此通信方式所需的線路數(shù)較多，但是此種方式的傳輸速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速的采集。因此選擇將AD7606的PAR/SER引腳設(shè)置為低電平，即選擇了并行通信[2]。具體電路設(shè)計如圖3所示。

1.3? 電源電路

由于ad7606需要5 V供電，選用TI的tps7350。Tps7350是低功耗低壓降的線性電源，輸入5.33 V至10 V，5 V輸出，500 mA輸出，可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、寬輸入電壓具有較寬的范圍、低靜態(tài)電流、低噪聲等優(yōu)點。具有過流過壓保護(hù)使用此芯片無需復(fù)雜的外圍電路就能夠得到良好的輸出電壓。該芯片輸出電壓有很小的紋波，能為AD7606提供很穩(wěn)定的工作電壓。電路中的電容主要用于濾出電壓信號中的噪聲使輸出的電壓更加平滑穩(wěn)定可靠電源電路如圖4所示。

2? 采樣系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

2.1? AD7606的時序分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時要確保AD7606先進(jìn)行一次復(fù)位，因此需要在RESET引腳施加不少于50ns的高電平。由于本文所采用的是輸入通到以兩組的形式同步進(jìn)行采樣，因此需要獨立的控制CONVSTA和CONVSTB兩個引腳來進(jìn)行采樣，此采樣方式只有在不過采樣的情況下才可以。CONVSTA是啟動第一組采樣通道（DB1-4）的同步采樣，CONVSTB是啟動第二組采樣通道（DB5-8）的同步采樣[3]。當(dāng)CONVSTA上升沿時，第一組同步采樣的數(shù)據(jù)通道的采集增益器進(jìn)入到工作狀態(tài)，當(dāng)CONVSTB上升沿時，第二組同步采樣的數(shù)據(jù)通道的采集增益器進(jìn)入到工作狀態(tài)。當(dāng)CONVSTA和CONVSTB都達(dá)到高電平時AD7606的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作開始。當(dāng)CONVSTB達(dá)到高電平時，BUSY信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑⒈３諸CONV時間。TCONV時間的長短與過采樣倍率有關(guān)，過采樣的倍率越大，TCONV的時間越長，當(dāng)8的通道都轉(zhuǎn)換完成時BUSY信號又轉(zhuǎn)換為低電平。具體時序圖如圖5。

2.2? AD傳遞函數(shù)

AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換之后輸出為二進(jìn)制數(shù)的補碼。所有的二進(jìn)制碼都是在最低有效位（LSB）的二分之一初進(jìn)行的其中最低有效位的大小為FSR/65536[3]。AD7606的傳遞特性如圖6所示。

本文選擇0～5 V作為模擬數(shù)去的范圍，從而可以得到LSB=5 V/32768=0.15 mV。DSP把從ADC7606采集的16位的數(shù)據(jù)，在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為實際的電壓值，電壓值的計算公式如下：VIN=（5 V*CODE）/32768。

2.3? 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

系統(tǒng)控制程序主要有初始化程序、AD7606初始化程序、Epwm中斷程序、數(shù)據(jù)采集計算程序等構(gòu)成。在數(shù)據(jù)采集之前需要將整個系統(tǒng)初始化，使系統(tǒng)準(zhǔn)備進(jìn)入工作模式，在初始化中主要包括DSP系統(tǒng)初始化AD7606的初始化，選擇此芯片的模擬輸入的范圍，IO口的設(shè)置等等。由于采樣速度和時序的要求因此數(shù)據(jù)的采集的計算處理都是在Epwm中斷中進(jìn)行的。如圖7所示。

2.4? 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析測試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠是該系統(tǒng)的重要要求，為了驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠采取了以下進(jìn)行電流的采集。本文所設(shè)計的系統(tǒng)中的采樣頻率為100 k，在中斷中連續(xù)采樣1 ms即采樣100個數(shù)據(jù)值。首先在第dsp中設(shè)置一個存放100數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，依次將采集的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)達(dá)到100時，下一個數(shù)據(jù)在進(jìn)入時第一個數(shù)據(jù)就會被覆蓋。當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到100時，進(jìn)行計算平均電流信號值。假設(shè)100個數(shù)據(jù)的平方值為A，當(dāng)前采樣的值的平方值為B，覆蓋掉的值的平方值為C，則當(dāng)前時刻的平方和為sum=A2+B2C2，對上式開根號既可以得到計算處理后的電壓值。

3? 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所設(shè)計的AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的正確性和相對于DSP內(nèi)部AD具有高精度，誤差小實時性高等優(yōu)點搭建了實驗平臺進(jìn)行實驗。實驗主要分為兩個實驗進(jìn)行測試一是驗證AD7606具有精度高誤差小的優(yōu)點，二是驗證AD7606具有較高的采集速度且不失真。

3.1? 數(shù)據(jù)誤差和精度分析

實驗的主要目的是為了檢測所設(shè)計的ad7606數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的誤差并和DSP內(nèi)部AD對比。實驗主要設(shè)備有線性直流電源，臺式數(shù)字萬應(yīng)表，DSP TMS320F28335主控板一套。可編程線性直流電源作為輸入信號分別給AD7606和DSP內(nèi)部AD，臺式數(shù)字萬應(yīng)表對線性直流電源的輸出電壓進(jìn)行測量，DSP TMS320F28335主控板將每采集100次的數(shù)據(jù)按照上述處理方法處理，然后與實際值進(jìn)行對比算取誤差然后分析。具體的數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表1，從表中可以清晰的看到AD7606的測量誤差均在0.45%以內(nèi)，DSP內(nèi)部AD測量值誤差在1%以內(nèi)，顯然可以得到AD7606相比于DSP內(nèi)部AD具有較高的精度誤差小。

3.2? 高速采集時的分析

電機控制系統(tǒng)中因需要采集交流信號，因此用信號發(fā)生器模擬出需要采集得交流信號分別通過AD7606和DSP內(nèi)部AD進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過一高精度DA模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號通過一示波器進(jìn)行觀測。從圖8和圖9可以清晰的看出使用了AD7606的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集的數(shù)據(jù)較DSP內(nèi)部AD具有明顯的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)失真度小，波動的范圍小。

4? 結(jié)語

本文針對dsp內(nèi)部AD精度和穩(wěn)定性達(dá)不到信號的采集要求，設(shè)計了外部AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊并通過實驗分別測試了兩種AD的誤差等信息，相對內(nèi)部AD外部AD7606具有明顯的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)精度高，采集的信號失真小，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。對電機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制的效果具有很大的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]史籍， 常越， 李海國. 基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電氣自動化， 2016， 38（1）： 15-18.

[2]肖李歡， 黃元峰， 代文澤， 等. 基于AD7606的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2017， 13（20）： 210- 211+214.

[3]孟令進(jìn)， 劉三軍. 基于Nios II的AD7606控制器IP核設(shè)計[J]. 信息技術(shù)與信息化， 2020（2）： 54-57.

[4]高瑛， 謝戰(zhàn)洪， 王大鵬. 兩片ADS7863與TMS320F28335的接口設(shè)計[J]. 通信技術(shù)， 2011， 44（7）： 126-129.

[5]韓賓， 易志強， 江虹， 等. 一種高精度多通道實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2019（9）： 42-45.

[6]宋璐雯. 基于DSP平臺的JPEG2000 EBCOT-Tier2算法實現(xiàn)及優(yōu)化[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 139-143.

[7]黃濤. 基于小波的電能質(zhì)量電壓信號奇異性分析[J]. 軟件， 2018， 39（11）： 105-109.

[8]符博博， 田英華， 鄭娜娥. 陣列信號中信源數(shù)估計方法的研究[J]. 軟件， 2015， 36（12）： 197-200.