摘 要：報(bào)告了目前現(xiàn)有測(cè)磁儀的技術(shù)問(wèn)題和使用情況，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型智能測(cè)磁儀的研制。介紹了高精度ADS8364和TMS320LF2407的接口技術(shù)及部分外設(shè)的功能，并采用虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合，給出了接口電路及編程方法。單相變壓器試品實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：ADS8364；TMS320LF2407；擴(kuò)展串口ST16C550；數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-119-03

Application of ADS8364 in New Intelligent Magnetic Measurement Instrument

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GOU Luhai，WANG Miao，ZHAO Shuangxi，LIU Lanrong，MU Guixia，JIAO Cuiping

(Baoding Tianwei Group Co.Ltd.，Baoding，071056，China)

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Abstract：The report currently available for the magnetic measurement instrument of technical issues and use，on the basis，it proposes a new intelligent instrument for measuring magnetic. Precision introduces ADS8364 and TMS320LF2407 interface technology and some peripheral functions. Using virtual instrument design ideas， through hardware and software combination，it gives the interface circuit and programming method.Single-phase transformer test results show that the design is correct.

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Keywords：ADS8364;TMS320LF2407;ST16C550;digital signal processing technology;virtual instrument

1 引 言

目前現(xiàn)有的測(cè)磁儀，采樣使用的A/D大多為10位A/D，這使得其采樣精度低，測(cè)量誤差大，而且抗干擾能力差。CPU大都以單片機(jī)為主，供電電源為5 V，控制器功耗比較大；主頻低使得指令執(zhí)行周期長(zhǎng)，計(jì)算速度慢，在一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)少。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于其傳感器、放大器及隔離器件本身的技術(shù)原因，性能相對(duì)較差，容易受到干擾。而且現(xiàn)有測(cè)磁儀的功能大都比較簡(jiǎn)單，通常以單通道為主，外加一個(gè)霍爾傳感器，一般只能測(cè)量試品外壁某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)于鐵芯內(nèi)部等傳感器無(wú)法到達(dá)的部位不能進(jìn)行測(cè)量。顯示終端主要以LED為主，一般只顯示當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄功能，需要專人負(fù)責(zé)填寫，使用起來(lái)很不方便。

另外，現(xiàn)有測(cè)磁儀大都不能實(shí)現(xiàn)三相或三個(gè)獨(dú)立的單相試品的測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中無(wú)法給出最大磁通量、最小磁通量以及他們分別對(duì)應(yīng)的電流，更無(wú)法顯示磁滯回線并給出磁滯回線的面積，這些都是我們十分關(guān)心的問(wèn)題。更重要的是不能測(cè)量激磁電流中有直流分量的磁路。

以上這些問(wèn)題使得現(xiàn)有測(cè)磁儀在使用過(guò)程中總是存在這樣那樣的不足，使測(cè)量工作受到很大的限制。

2 硬件設(shè)計(jì)

新型智能測(cè)磁儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。外部采樣信號(hào)經(jīng)三通道電壓調(diào)理電路和三通道電流調(diào)理電路接至ADS8364。CPU為TMS320LF2407，與ADS8364并行連接。CPU內(nèi)部的SCI實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通訊，由ST16C550擴(kuò)展的串口與顯示終端LCD相連，并配有鍵盤及打印機(jī)。因TMS320LF2407內(nèi)部RAM空間不足，所有采樣結(jié)果均保存在外部CY7C1021中，CY7C1021在程序調(diào)試過(guò)程中作為程序的外部存儲(chǔ)器，正常運(yùn)行時(shí)作為AD采樣結(jié)果的存儲(chǔ)空間。

圖1 新型智能測(cè)磁儀結(jié)構(gòu)框圖

ADS8364與TMS320LF2407接口電路如圖2所示。ADS8364的三位地址線接LF2407的低三位地址線，16位數(shù)據(jù)線與LF2407的16位數(shù)據(jù)線并行連接。3個(gè)采保信號(hào)分別由FL2407的PWM10，PWM11和PWM12提供。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接LF2407的外部中斷1。BYTE接地使讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)以16位的方式輸出。

圖2 ADS8364與TMS320LF2407電氣連接圖

2.1 采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364介紹

ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，共有64個(gè)引腳。其時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，最高頻率為5 MHz，對(duì)應(yīng)的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電源供電電壓為3~5 V，即可以與33 V 供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制器接口。6個(gè)模擬輸入通道分為三組(A，B和C)，每組都有一個(gè)保持信號(hào)(HOLDA，HOLDB和HOLDC)，用來(lái)啟動(dòng)各組的A/D轉(zhuǎn)換，6個(gè)通道可以進(jìn)行同步并行采樣和轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。其共模輸入在50 kHz時(shí)為80 dB，特別適合于噪聲比較大的測(cè)量環(huán)境。地址/模式信號(hào)(A0，Al，A2)決定ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取方式有3種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO 方式。根據(jù)BYTE 為0或者為1確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位還是8位的方式輸出。

2.2 微處理器TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407是TI推出的高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)微處理器，采用33 V供電減小了控制器的損耗；30 MHz的主頻使得其具有較高的實(shí)時(shí)控制和計(jì)算能力。

片上32 k×16位的FLASH，使得程序燒寫十分便利。兩個(gè)事件管理器EVA和EVB； 10位的A/D轉(zhuǎn)換，可由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器。

外部存諸器擴(kuò)展：64 k的程序空間，64 k的數(shù)據(jù)空間，64 k的IO空間。5種外部中斷。

2.3 異步收發(fā)器ST16C550簡(jiǎn)介

ST16C550是一種通用異步收發(fā)器(UART)，能夠提供數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換功能。顯示單元采用的LCD基本約定為串口格式，在實(shí)現(xiàn)與TMS320LF2407通訊時(shí)，通過(guò)擴(kuò)展異步通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)高速串行通信。

2.4 鍵盤及顯示單元

鍵盤采用掃描工作方式，設(shè)有0~9數(shù)字鍵、功能鍵、光標(biāo)向下及向右移動(dòng)鍵、設(shè)定鍵、啟動(dòng)鍵和打印鍵。通過(guò)鍵盤可設(shè)定分流器的量程、勵(lì)磁匝數(shù)、鐵心面積、迭片系數(shù)及磁路長(zhǎng)度。顯示單元LCD為DMB24128A，主要顯示A、B、C相的最大、最小磁通及相應(yīng)的電流值以及A、B、C相的磁滯回線的面積。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能測(cè)磁儀的基本工作流程如圖3所示。上電后首先初始化，對(duì)控制寄存器及I/O口進(jìn)行設(shè)置，自檢無(wú)誤后進(jìn)入鍵盤掃描。有按鍵按下，則進(jìn)入相應(yīng)的操作，如必要的參數(shù)設(shè)定及界面等，否則默認(rèn)為缺省值。當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)鍵按下時(shí)，啟動(dòng)A組采樣達(dá)到設(shè)定的采樣次數(shù)，停止A組依次啟動(dòng)B組、C組，如圖3所示進(jìn)行循環(huán)，采樣結(jié)果保存在外部存儲(chǔ)空間CY7C1021中。也可以通過(guò)設(shè)定只啟動(dòng)一組采樣。

一次循環(huán)采樣結(jié)束后，關(guān)閉中斷，清除標(biāo)志位。依據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出終端所要顯示的值并送至顯示終端。同時(shí)檢測(cè)PC機(jī)是否需要上位機(jī)通訊，如果是則將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)通過(guò)SCI傳到上位機(jī)，否則開(kāi)中斷進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。每組A/D在一個(gè)工頻周期內(nèi)最多采樣點(diǎn)數(shù)為800點(diǎn)，這一值可以根據(jù)需要通過(guò)鍵盤進(jìn)行設(shè)置。

上位機(jī)提供了多種顯示界面，極大地方便了使用。與下位機(jī)顯示終端最大的區(qū)別在于不僅包含了所有下位機(jī)的功能，而且能夠直觀地顯示電壓、電流波形及磁滯回線。

圖3 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈直線關(guān)系，直線的斜率等于u0。而在鐵磁材料中磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間是非線性的。鐵磁材料置于交流磁場(chǎng)中，材料被反復(fù)磁化，磁疇相互不停地磨擦、消耗能量，產(chǎn)生磁滯損耗。磁場(chǎng)變化一個(gè)周期時(shí)，被磁場(chǎng)吸收的能量可用磁滯回線的面積來(lái)表示，這部分能量將消耗在鐵磁材料內(nèi)，轉(zhuǎn)化為熱能。磁滯損耗用下式表示：



ph=Vf∮HdB

(1)



其中：V為鐵心的體積；f為磁場(chǎng)交變的頻率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁通密度。

磁通密度最大值愈大，磁滯回線面積愈大，磁滯損耗也越大。

通過(guò)式(1)可以看出，磁通密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小直接影響到磁滯損耗，而磁滯回線面積的大小能夠準(zhǔn)確反映磁滯損耗情況。據(jù)此對(duì)一臺(tái)單相試品變壓器進(jìn)行了測(cè)量，記錄電壓、電流波形及磁滯回線如圖4～圖7所示。并對(duì)采樣的電壓、電流波形的數(shù)據(jù)結(jié)果與fluk434測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為是正確的。

圖4和圖5分別為交流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形及磁滯回線；圖6和圖7分別為交直流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形及磁滯回線。由于電壓電流的真實(shí)值相差太大，圖上坐標(biāo)均采用百分值顯示。

圖4 交流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形圖

圖5 交流勵(lì)磁時(shí)的磁滯回線

磁通隨時(shí)間正弦變化，磁飽和的非線性導(dǎo)致磁化電流成為與磁通同相位的尖頂波；磁路飽和越嚴(yán)重，磁化電流的波形越尖，畸變?cè)絿?yán)重。當(dāng)有直流勵(lì)磁電流存在時(shí)，激磁電流已經(jīng)嚴(yán)重畸變，關(guān)于x軸出現(xiàn)了嚴(yán)重不對(duì)稱。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該新型智能測(cè)磁儀具有以

下特點(diǎn)：

(1) 采用高精度16位采樣模塊ADS8364，使得采樣精度大大提高，減小了零飄和測(cè)量誤差。

(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)量結(jié)果受外部環(huán)境的影響小。

(3) 操作簡(jiǎn)單、功能齊全、使用方便，下位機(jī)本身就是一個(gè)完整的測(cè)量?jī)x器，再配以上位機(jī)軟件，能夠通過(guò)圖形更加直觀地反映測(cè)量結(jié)果。

(4) 采用比較成熟的算法及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，保證了程序運(yùn)行的可靠性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(5) 不僅能夠測(cè)量交流勵(lì)磁回路，對(duì)于勵(lì)磁回路中含有直流分量的磁路也能準(zhǔn)確地測(cè)量。

本文將ADS8364與 TMS320LF2407相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型智能測(cè)磁儀，該系統(tǒng)采樣精度高，速度快，并可同時(shí)采集多路信號(hào)，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

圖6 交直流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形圖

圖7 交直流勵(lì)磁時(shí)的磁滯回線

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉釗，劉和平，王春燕.ADS8364與TMS320LF2407的接口及應(yīng)用\\[J\\].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30(10)75-78.

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［2］劉書明，聶麗斌，余愛(ài)民.ADS8364的原理及應(yīng)用\\[J\\].國(guó)外電子元器件，2002(10):43-45.

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［3］劉和平，嚴(yán)利平，張學(xué)鋒，等.TMS320LF240X DSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用\\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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［4］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)\\[M\\].北京:清華大學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介 緱錄海 男，1975年出生，工程師。主要研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。