李媛媛， 楊魯發(fā)， 張大磊， 戴 舒

（1.華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(shí)時(shí)性對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要[1]，所以必須合理設(shè)計(jì)使其能提供預(yù)期的采樣速度、達(dá)到一定的轉(zhuǎn)換精度，并應(yīng)該做到電路簡(jiǎn)單、抗干擾性能強(qiáng)[2]。本采集系統(tǒng)采用ADI公司生產(chǎn)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7862，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。能夠滿足系統(tǒng)對(duì)采樣精度和采樣速度的要求?？刂破骷捎胐sPIC30F6010A數(shù)字信號(hào)控制芯片，它是Microchip公司生產(chǎn)的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，內(nèi)核包含一個(gè)DSP引擎，從而能夠顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)算和吞吐能力。

在某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,不僅對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性提出要求，而且要求其具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)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(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它具有存儲(chǔ)容量大，速度快等特點(diǎn)，被廣泛用于便攜式裝置上。

1 AD7862簡(jiǎn)介

（ADC），采用+5 V單電源供電。該器件內(nèi)置2個(gè)4 μs逐次逼近型ADC、2個(gè)采樣保持放大器、1個(gè)+2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和1個(gè)高速并行接口[3]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AD7862內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于AD7862內(nèi)置2個(gè)ADC和2個(gè)采樣保持放大器，可以對(duì)2路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換，從而保留這兩個(gè)模擬輸入信號(hào)的相對(duì)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(gè)模擬輸入，分成2個(gè)通道（A和B），通過(guò)A0輸入選擇通道。每個(gè)通道的2個(gè)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(shí)進(jìn)行采樣

AD7862是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)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(guò)壓保護(hù)，允許輸入電壓分別達(dá)到±17 V、±7 V或+7 V而不會(huì)造成損壞。

圖2 AD7862的時(shí)序

2 dsPIC30F6010A簡(jiǎn)介

16 位dsPIC30F6010A數(shù)字信號(hào)控制器是16位處理器系列[4]。它是dsPIC30F電機(jī)控制和電源轉(zhuǎn)換系列，用于支持電機(jī)控制應(yīng)用，也適用于不間斷電源、逆變器、開(kāi)關(guān)電源及相關(guān)設(shè)備。

內(nèi)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(dá)30 MI/s；5個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；可選擇將16位定時(shí)器配對(duì)組成32位定時(shí)器模塊；16位捕捉輸入功能；8個(gè)PWM輸出通道：具有互補(bǔ)或獨(dú)立輸出模式、邊沿對(duì)齊模式和中心對(duì)齊模式，4個(gè)占空比發(fā)生器、互補(bǔ)模式的死區(qū)時(shí)間控制；2個(gè)UART、2個(gè)SPI、1個(gè)I2C總線和2個(gè)CAN總線；最大I/O引腳數(shù)為68個(gè)。

dsPIC30F6010A處理器采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線。在執(zhí)行訪問(wèn)數(shù)據(jù)RAM當(dāng)前指令的同時(shí)可從程序存儲(chǔ)器中預(yù)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(gè)線性地址空間。當(dāng)使用某些DSP指令，如DSP乘法指令時(shí)，該存儲(chǔ)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(shí)從X存儲(chǔ)空間和Y存儲(chǔ)空間中取數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本采樣系統(tǒng)主要分為硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。硬件部分是以dsPIC30F6010A為控制和處理核心，去控制AD7862和SD卡來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度、實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。信號(hào)的高精度和實(shí)時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換由AD7862來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)由控制器通過(guò)SPI接口訪問(wèn)SD卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件部分主要由控制器I/O引腳的初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換開(kāi)始控制、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成。

3.1 硬件部分實(shí)現(xiàn)

AD7862還產(chǎn)生BUSY信號(hào)，通過(guò)它告知控制器A/D轉(zhuǎn)換完成，可以讀取結(jié)果。dsPIC30F6010A的中斷控制器支持5種外部中斷請(qǐng)求信號(hào)：INT0～I(xiàn)NT4。這些輸入是邊沿敏感的；它們要求一個(gè)由低到高或由高到低的跳變以產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。INTCON2寄存器具有5個(gè)位（INT0EP～I(xiàn)NT4EP），用于選擇邊沿檢測(cè)電路的極性。本系統(tǒng)中采用由高到低的跳變產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，BUSY控制信號(hào)與dsPIC30F6010A的INT0相連。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)dsPIC30F6010A的I/O口，讀到控制器內(nèi)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(chǔ)載體為SD卡。SD卡的技術(shù)是基于Multi Media卡（MMC）格式上發(fā)展而來(lái)，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(shù)中加入加密技術(shù)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(jī)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(jī)無(wú)此接口，使用軟件模擬協(xié)議復(fù)雜。SPI模式使用簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，目前大多數(shù)單片機(jī)提供SPI接口[5]。本設(shè)計(jì)采用SPI模式，利用dsPIC30F6010A的SPI接口訪問(wèn)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(shí)現(xiàn)

軟件部分流程如圖5所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后先初始化I/O、SD卡、AD7862和設(shè)置INT0中斷，為A/D采樣和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)做準(zhǔn)備。由于AD7862有兩個(gè)通道，需對(duì)這兩個(gè)通道分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，先采樣A通道后采樣B通道，具體是哪個(gè)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(chǔ)流程圖

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中要獲知A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束的方法有[6]：

1）定時(shí) 使用定時(shí)器，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后過(guò)一段時(shí)間讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；

2）掃描 掃描BUSY引腳，當(dāng)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，即可知轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；

3）中斷 BUSY作為中斷信號(hào)，輸入到INT0中，并設(shè)置為從高到低觸發(fā)中斷，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)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(wù)子程序如圖6所示，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，首先清中斷標(biāo)示，然后分兩次讀取，即VX1和VX2（X代表A或B），讀完之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)到SD卡相應(yīng)位置中，最后置采樣結(jié)束標(biāo)示。

圖6 中斷程序子程序

4 結(jié)束語(yǔ)

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(chǔ)系統(tǒng)。介紹了硬件電路的連接，然后進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的正確使用，完全可以達(dá)到很高的采樣精度，并能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需要。通過(guò)外擴(kuò)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(chǔ)系統(tǒng)。

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

[2]劉 強(qiáng)，謝 川，楊文通.12位高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)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(tuán)善，高 文.ATmega128L單片機(jī)的Micro SD卡讀寫(xiě)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（5）：37-39.

[6]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.