孫利民，梁江濤，魏然，張鵬，葉鵬飛

（鄭州大學工程力學系，河南鄭州450001）

由于計算機的微型化、網(wǎng)絡化、性能價格比的上升和軟件功能的日益強大，計算機控制系統(tǒng)幾乎可以出現(xiàn)在任何場合：實時控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)庫等。

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的振動數(shù)據(jù)采集主要用微機進行數(shù)字化測試分析。振動測試儀器主要為以微機為核心智能儀器。數(shù)字化測試的前提是將傳感器從被測試設備測得的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度、速度將直接決定數(shù)字化測試分析的精度、速度。本文的目的即將一個AD轉(zhuǎn)換芯片應用于振動測試[1]。

AD7665內(nèi)置一個16位高速采樣ADC，擴大了被測設備的振動頻率范圍。一個電阻器輸入標量（允許多種輸入范圍），既而易于與多種不同的傳感器配套使用。一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘、糾錯電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口，提高了AD轉(zhuǎn)換外圍電路設計的靈活性。

該器件具有3種采樣模式：極高采樣速率模式（Warp模式）；快速模式（正常模式），適用于異步轉(zhuǎn)換速率應用；低功耗模式（脈沖模式），適用于低功耗應用，其功耗與吞吐量呈比例關系。3種采樣模式使得系統(tǒng)功耗降至最低。

1 基本原理

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應值。

對圖1的電路，在數(shù)據(jù)采集階段，它由啟動脈沖CNVST啟動后，DAC內(nèi)部電容陣列被用作采樣電容，并從IN的輸入端得到模擬信號。當數(shù)據(jù)采集完成后，CNVST的輸入變?yōu)榈碗娖剑藭r轉(zhuǎn)換狀態(tài)被啟動。在第1個時鐘脈沖作用下，控制邏輯電路使內(nèi)部時序產(chǎn)生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將1 000……0，送入DAC。輸入電壓首先與DAC輸出電壓（REF/2）相比較，如IN≥VREF/2，比較器輸出為1，若IN＜REF/2，則為0。比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的Dn－1位。然后在第2個CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1，則此時V0=（3/4）VREF。于是V1再與（3/4）VREF相比較，如V1≥（3/4）VREF，則次高位Dn－2存1，否則Dn－2=0；如最高位為0，則V0=VREF/4，與V0比較，如V1≥VREF/4，則Dn－2位存1，否則存0……。以此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。在完成這個過程之后，控制邏輯將產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換代碼的輸出至并口（串口），并將BUSY線的輸出置為低電平[2－3]。

圖1 控制邏輯與標準電路Fig.1Control logic and standardcircuit

2 關鍵問題

在AD轉(zhuǎn)換中時序問題直接決定了AD轉(zhuǎn)換的成功與否，因此時序問題將是本文解決的第一個問題。另外由于本文采用的是雙極性的輸入，因此在AD7665的應用中應該注意輸入配置，以及編碼問題。

2.1 時序問題

圖2 AD轉(zhuǎn)換時序圖Fig.2Chart of AD conversion timing

CNVST信號是數(shù)字信號，要求有良好的邊緣特性。而SNR是一個臨界號要求有很小的抖動，可采用一個專門的振蕩器來產(chǎn)號，或者采用高頻率低抖動的時鐘來產(chǎn)生。

在Impulse模式中，可以自動開啟轉(zhuǎn)換。當BUSY信號變?yōu)榈碗娖教柋３值碗娖綍r，AD7665控制數(shù)據(jù)采集階段，并自動啟動一個新的轉(zhuǎn)換。直保持低電平時，AD7665將自動保持轉(zhuǎn)換過程。值得注意的是，當BUSY信號變?yōu)榈碗娖綍r，模擬信號被輸入。同樣，當上電時，置為低電平以開啟轉(zhuǎn)換過程。在Impulse模式中，AD7665的轉(zhuǎn)換速度將比570 kSPS高，而這個特征在Warp和Normal模式中所沒有的。

2.2 輸入配置

AD7665為單（雙）極性輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設計者可根據(jù)實際需要選擇其輸入范圍。AD7665輸入配置如表1所示。

表1 AD7665輸入配置Tab.1AD7665 input configuration

本文采用的輸入電壓范圍為±REF，即INA與REF相連。此時為三通道±REF范圍電壓的AD轉(zhuǎn)換，輸入阻抗為2.56 kΩ。

2.3 編碼問題

由于AD7665為雙極性輸入的AD轉(zhuǎn)換。在輸入正、負電壓時編碼方式有所差別。數(shù)字輸出碼與模擬輸入關系如表2所示。

AD7665自身可直接輸出標準二進制碼及二進制補碼。因此可根據(jù)實際情況選擇其輸出方式。

2.4 GPRS模塊與服務器應用程序

GPRS模塊采用Siemens公司生產(chǎn)的GPRS/GSM三頻無

表2 AD7665編碼表Tab.2AD7665 coding table

注：LSB－最低有效位：是轉(zhuǎn)換器可以表示的最小增量。FSR（Full－Scale Range）量程。線通訊模塊MC55i。MC55i集成了高性能GSM/GPRS基帶處理，完整的無線頻率電路包括功率放大器及天線接口，內(nèi)嵌便于連接Internet的可由AT指令驅(qū)動的TCP/IP協(xié)議棧，大大節(jié)省了連接到Internet的時間和花費。

當GPRS模塊要向遠程服務器發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先用AT^SICS命令創(chuàng)建一個連接類型參數(shù)集，用來決定一個Internet的連接類型；然后以連接類型參數(shù)集為基礎，用AT^SISS命令創(chuàng)建一個服務類型參數(shù)集，用指定Internet服務的類型，也就是Socket，F(xiàn)TP，HTTP，或email服務，SMTP或PO的其中之一；一旦連接參數(shù)集和服務參數(shù)集被創(chuàng)建，就可以用AT^SISO打開一個Internet會話，然后等待一個URC串口數(shù)據(jù)的返回；會話完成后可以用AT^SISR命令進行讀數(shù)據(jù)，和用AT^SISW命令進行寫數(shù)據(jù)；最后用AT^SISC（以＜srvProfileId＞為參數(shù)）命令結(jié)束Internet會話[5]。

遠程服務器在啟動服務端程序后，開始等待GPRS終端請求到達該端口，在接收到服務請求后，要激活一個新的控件（或線程）來處理這個GPRS終端請求。服務完成后，關閉此新進程與GPRS終端的通信鏈路，此時即完成一次GPRS通信。

服務器應用程序主要靠調(diào)用API函數(shù)Winsock來完成。其過程為：首先用Socket（）創(chuàng)建套接字，然后Bind（）本地IP和端口與套接字相連，用Listen（）設定監(jiān)聽連接數(shù)，開始用Accept（）等待客戶連接，連接成功返回接連序號，再用Recv（）、send（）根據(jù)上面得的序號進行讀寫操作。讀寫完成后，用Close（）關閉連接，Closesocket（）刪除套接字，程序結(jié)束。

3 實驗環(huán)境

本實驗為采用AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換完成對一個100 Hz的正弦信號進行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示，首先由SVC－1正弦控制儀輸出一個正弦激勵信號，給功率放大器（PA1200），去推動振動臺（ES－05電動振動試驗系統(tǒng)）產(chǎn)生一個100 Hz的正弦振動。通過加速度傳感器把振動臺臺面的正弦振動信號傳到（2635型）電荷放大器，電荷放大器將加速度傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為前置放大器的低輸出阻抗，以便同后續(xù)儀器相匹配，同時放大從加速度傳感器輸出的微弱信號，使電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。然后通過AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集1024個振動數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊傳送至PC[6]。

圖3 實驗環(huán)境Fig.3Experimental conditions

AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換及GPRS模塊如圖4所示。該模塊功能為：把振動傳感器輸出的模擬信號（雙極性）轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號，以便PC進行處理。該電路采用AD7665的并行輸出模式。GPRS模塊為MC55i模塊。

在此實驗中，將INA與REF接+5 V，INB－IND輸入范圍為－5～+5 V，0～+5 V時輸出為0000…0000～0111…1111，即從0～32767，－5～0 V時輸出為1000…0000～1111…1111，即從32768～65535。AD7665完成一次轉(zhuǎn)換后，BUSY跳變?yōu)榈碗娖綍r將D[0:15]鎖存到74374，51發(fā)出信號啟動轉(zhuǎn)換的同時，將上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果從74374取走。

圖4 振動檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Fig.4Schematic diagram of Vibration test data acquisition system

4 實驗結(jié)果

通過實驗將從振動臺測試得到的1 024個振動數(shù)據(jù)在PC上進行分析后，其結(jié)果如圖5所示。

圖5100 Hz正弦波實測波形截圖Fig.5100 Hz sine wave measurement

由圖5可看出，一些采樣點與實際存在偏差。因為本實驗中的AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是在萬能板上的手工制作，其抗干擾能力本身就較差，而且由于數(shù)字線在芯片下方穿過，產(chǎn)生耦合噪聲。如果將本實驗的器件印制在電路板中，則會提高其抗干擾能力，也就降低了測試過程中的誤差。

5 結(jié)論

通過本實驗，可以看出AD7665應用于振動測試，其速度、精度都能很好的滿足數(shù)字化振動測試。但在印制電路板過程中應注意其抗干擾的設計：模擬部分和數(shù)字部分應分開在不同的區(qū)域；避免讓數(shù)字線在芯片下方穿過，以避免產(chǎn)生耦合噪聲；電源線要使用盡可能粗的線，以達到低阻抗并能較少短時脈沖對電源的干擾；電壓基準的退耦裝置也是非常正要的，退耦電容應該離ADC盡可能的近，并用短而粗的線連接，以減少寄生電感[7]。

[1]謝劍英，賈青.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[2]高翔.逐次逼近式ADC的功耗與精度平衡設計研究[D].西安:西安電子科技大學，2010.

[3]Analog Devices.AD7665 Datasheet[EB/OL].[2011-02].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7665pdf.

[4]程耀瑜.高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7892及其在圖像采集中的應用[J].電子設計工程，2000（9）:22-24.CHENG Yao-yu.High speed 12-bit A/D converter AD7892 and its application in image acquisition[J].Electronic Design Engineering，2009（9）:22-24.

[5]SIEMENS.MC55i at command set[EB/OL].[2008-02-28].http://www.portech.com.tw/data/Siemens%20mc55i_AT.pdf

[6]劉海濤，裴東興，范錦彪，等.高采樣頻率彈載加速度測試系統(tǒng)的設計[J].電子測試，2010（12）:79-82.LIU Hai-tao，PEI Dong-xing，F(xiàn)AN Jin-biao，et al.Design of the missile acceleration test system in high acceleration test sampling frequency[J].Electronic Test，2010（12）:79-82.

[7]王燕芳，宋輝.單片機系統(tǒng)實用抗干擾設計[J].電子工程師，2006（7）:49-51.WANG Yan-fang，SONG Hui.Practical anti-interference design of SCM system[J].Electronic Engineer，2006（7）:49-51.