李媛媛， 楊魯發(fā)， 張大磊， 戴 舒

（1.華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.秦皇島職業(yè)技術學院 機電工程系，河北 秦皇島 066100）

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就像控制系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”一樣，成為控制系統(tǒng)不可或缺的重要部分。它是各種控制系統(tǒng)獲取信息的一種重要途徑。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和實時性對于整個控制系統(tǒng)的性能至關重要[1]，所以必須合理設計使其能提供預期的采樣速度、達到一定的轉換精度，并應該做到電路簡單、抗干擾性能強[2]。本采集系統(tǒng)采用ADI公司生產的12位模數(shù)轉換器AD7862，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉換器。能夠滿足系統(tǒng)對采樣精度和采樣速度的要求。控制器件采用dsPIC30F6010A數(shù)字信號控制芯片，它是Microchip公司生產的高性能16位數(shù)字信號控制器，內核包含一個DSP引擎，從而能夠顯著增強系統(tǒng)的運算和吞吐能力。

在某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,不僅對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和實時性提出要求，而且要求其具有數(shù)據(jù)存儲功能，為了實現(xiàn)存儲功能，本系統(tǒng)使用SD卡。SD卡（Secure Digital Memory Card）為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它具有存儲容量大，速度快等特點，被廣泛用于便攜式裝置上。

1 AD7862簡介

（ADC），采用+5 V單電源供電。該器件內置2個4 μs逐次逼近型ADC、2個采樣保持放大器、1個+2.5 V內部基準電壓源和1個高速并行接口[3]。其內部結構如圖1所示。

圖1 AD7862內部結構

由于AD7862內置2個ADC和2個采樣保持放大器，可以對2路模擬輸入信號進行同時采樣和轉換，從而保留這兩個模擬輸入信號的相對相位信息。這一功能適用在逆變器采集系統(tǒng)中。它共有4個模擬輸入，分成2個通道（A和B），通過A0輸入選擇通道。每個通道的2個輸入（VA1與VA2或VB1與VB2）使用不同的ADC和采樣保持放大器可同時進行采樣

AD7862是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉換器和轉換。該器件可接收的模擬輸入范圍為±10 V（AD7862-10）、±2.5 V（AD7862-3）和 0～2.5 V（AD7862-2）。 本系統(tǒng)采用AD7862-10。模擬輸入均具有過壓保護，允許輸入電壓分別達到±17 V、±7 V或+7 V而不會造成損壞。

圖2 AD7862的時序

2 dsPIC30F6010A簡介

16 位dsPIC30F6010A數(shù)字信號控制器是16位處理器系列[4]。它是dsPIC30F電機控制和電源轉換系列，用于支持電機控制應用，也適用于不間斷電源、逆變器、開關電源及相關設備。

內部有144 KB片上閃存程序空間，8 KB片上數(shù)據(jù)RAM，4 KB非易失性數(shù)據(jù)EEPROM；工作速度最高可達30 MI/s；5個16位定時器/計數(shù)器；可選擇將16位定時器配對組成32位定時器模塊；16位捕捉輸入功能；8個PWM輸出通道：具有互補或獨立輸出模式、邊沿對齊模式和中心對齊模式，4個占空比發(fā)生器、互補模式的死區(qū)時間控制；2個UART、2個SPI、1個I2C總線和2個CAN總線；最大I/O引腳數(shù)為68個。

dsPIC30F6010A處理器采用改進的哈佛架構，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)存儲器總線。在執(zhí)行訪問數(shù)據(jù)RAM當前指令的同時可從程序存儲器中預取下一條指令，這就加快了處理速度。數(shù)據(jù)空間為64 KB，大多數(shù)指令將其看作一個線性地址空間。當使用某些DSP指令，如DSP乘法指令時，該存儲空間被分成2塊，分別稱為X和Y數(shù)據(jù)空間。因此，這些DSP指令支持雙操作數(shù)讀操作，即，同一條指令可同時從X存儲空間和Y存儲空間中取數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)設計

本采樣系統(tǒng)主要分為硬件部分設計和軟件部分設計。硬件部分是以dsPIC30F6010A為控制和處理核心，去控制AD7862和SD卡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度、實時采集和實時存儲。信號的高精度和實時模數(shù)轉換由AD7862來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的存儲由控制器通過SPI接口訪問SD卡來實現(xiàn)。軟件部分主要由控制器I/O引腳的初始化、模數(shù)轉換開始控制、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)存儲等部分組成。

3.1 硬件部分實現(xiàn)

AD7862還產生BUSY信號，通過它告知控制器A/D轉換完成，可以讀取結果。dsPIC30F6010A的中斷控制器支持5種外部中斷請求信號：INT0～INT4。這些輸入是邊沿敏感的；它們要求一個由低到高或由高到低的跳變以產生一個中斷請求。INTCON2寄存器具有5個位（INT0EP～INT4EP），用于選擇邊沿檢測電路的極性。本系統(tǒng)中采用由高到低的跳變產生中斷請求，BUSY控制信號與dsPIC30F6010A的INT0相連。數(shù)據(jù)轉換結果通過dsPIC30F6010A的I/O口，讀到控制器內部。AD7862與控制器的電路連接圖如圖3所示。

圖3 AD7862與控制器的電路連接

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲載體為SD卡。SD卡的技術是基于Multi Media卡（MMC）格式上發(fā)展而來，大小和MMC差不多，SD卡與MMC卡保持著向上兼容。SD卡是東芝公司在MMC卡技術中加入加密技術硬件而成，所有SD卡都必須支持較老的SPI/MMC模式。SD卡的接口支持SD和SPI兩種操作模式。主機系統(tǒng)可以選擇其中任意模式。SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機無此接口，使用軟件模擬協(xié)議復雜。SPI模式使用簡單通用的SPI通道接口就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，目前大多數(shù)單片機提供SPI接口[5]。本設計采用SPI模式，利用dsPIC30F6010A的SPI接口訪問SD卡。SD卡使用的電壓為3.3 V，具體電路連接如圖4所示。

圖4 控制器與SD卡的接口

3.2 軟件部分實現(xiàn)

軟件部分流程如圖5所示，系統(tǒng)啟動后先初始化I/O、SD卡、AD7862和設置INT0中斷，為A/D采樣和數(shù)據(jù)存儲做準備。由于AD7862有兩個通道，需對這兩個通道分別進行A/D轉換，先采樣A通道后采樣B通道，具體是哪個通道由A0決定，也就是控制器的RB8引腳。

圖5 數(shù)據(jù)采集存儲流程圖

數(shù)據(jù)采集過程中要獲知A/D轉換已結束的方法有[6]：

1）定時 使用定時器，轉換開始后過一段時間讀取轉換結果；

2）掃描 掃描BUSY引腳，當變?yōu)榈碗娖綍r，即可知轉換結束，讀取轉換結果；

3）中斷 BUSY作為中斷信號，輸入到INT0中，并設置為從高到低觸發(fā)中斷，當轉換結束后，BUSY信號由高變低，觸發(fā)中斷。

本系統(tǒng)采用第3種方法，即中斷方法。中斷服務子程序如圖6所示，進入中斷服務子程序后，首先清中斷標示，然后分兩次讀取，即VX1和VX2（X代表A或B），讀完之后對數(shù)據(jù)進行處理并存儲到SD卡相應位置中，最后置采樣結束標示。

圖6 中斷程序子程序

4 結束語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用dsPIC30F6010A、AD7862和SD卡組成了高性能12位并行數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)。介紹了硬件電路的連接，然后進行了數(shù)據(jù)采集的軟件設計與實現(xiàn)。實踐表明，通過對模數(shù)轉換器件的正確使用，完全可以達到很高的采樣精度，并能滿足系統(tǒng)實時性的需要。通過外擴模擬電路部分，可以用于各種高精度高速的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。

[1]周 林，殷 俠.數(shù)據(jù)采集與分析技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[2]劉 強，謝 川，楊文通.12位高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息，2006（8）：97-99.

[3]Analog Devices.AD782Datasheet[EB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7862.pdf.

[4]Microchip.dsPIC30F6010A/6015 Data sheet[DB/OL].http：//ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn530931.pdf.

[5]朱大銳，張團善，高 文.ATmega128L單片機的Micro SD卡讀寫[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2009（5）：37-39.

[6]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片機微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.