于 洋，馮宴銘，曾 婷，陸小龍

（四川大學(xué) 制造學(xué)院，四川 成都 610025）

伺服功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是液壓伺服控制器的重要組成部分，該部分的設(shè)計(jì)不僅要為伺服系統(tǒng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)也要完成對(duì)電流反饋信號(hào)、電壓反饋信號(hào)以及門(mén)限電壓的實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換與顯示。此外，為了保證整個(gè)系統(tǒng)在控制器工作過(guò)程中的良好表現(xiàn)，需要同時(shí)完成對(duì)兩路信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。這對(duì)該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及時(shí)序控制的準(zhǔn)確度提出了較高的要求。

使用常見(jiàn)的8位、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 （如 ADC0809、MAX197等）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單且成本較低，但無(wú)法滿(mǎn)足高精度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[1]。本文提出了一種基于C8051F120單片機(jī)為核心控制器件，使用16位A/D轉(zhuǎn)換器MAX1300的雙通道信號(hào)采集、處理方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的采集精度和速度[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)

該伺服功率驅(qū)動(dòng)板中完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)選用C8051F120作為核心控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、LED液晶顯示和報(bào)警電路等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

本系統(tǒng)中選用22.118 MHz的外部晶振時(shí)鐘以保證電路的穩(wěn)定可靠。為滿(mǎn)足系統(tǒng)中各設(shè)備的供電要求，采用5 V的輸入電源供電。上位機(jī)與采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信利用串口完成，通過(guò)MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。液晶顯示采用LCD5110模塊完成，模擬量采集部分的A/D轉(zhuǎn)換使用MAX1300實(shí)現(xiàn)[4]。

硬件電路部分的設(shè)計(jì)中使用MAX1300內(nèi)部4.096 V的電壓基準(zhǔn)。為了提升系統(tǒng)性能，在設(shè)計(jì)電路時(shí)加入了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地、模擬電源和數(shù)字電源。同時(shí)，由于供電電源的高頻噪聲也會(huì)對(duì)ADC中的高速比較器的工作性能，在每一個(gè)模擬電源和數(shù)字電源上都使用一個(gè)0.1μF的陶瓷電容旁路到最近的地。CH0～CH7分別為采集模擬量的輸入通道。在每個(gè)通道前，加入了RC濾波電路。采集電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

A/D采集部分的程序主要使用的開(kāi)發(fā)軟件為Keil uVision2。程序主要包括初始化程序、配置輸入方式和輸入量程的字節(jié)、配置芯片的工作模式、寫(xiě)入啟動(dòng)信號(hào)0x80、等待8個(gè)時(shí)鐘、讀出AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位等部分。軟件流程圖如圖3所示。

圖2 AD采集電路設(shè)計(jì)Fig.2 Circuit diagram of the data acquisition

圖3 軟件流程圖Fig.3 Schematic diagram of the software test system

MAX1300有3種可供選擇的轉(zhuǎn)換模式，分別為外部時(shí)鐘模式、外部采集模式和內(nèi)部時(shí)鐘模式。本文中選擇外部時(shí)鐘模式，在該模式下，SCLK在控制模擬信號(hào)采集的同時(shí)，也控制著模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，便于精確的控制采集模擬信號(hào)的時(shí)間，并且這種模式可獲得最高的吞吐率。此外，MAX1300具有7種單端輸入范圍和3種差分輸入范圍，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)采集正負(fù)電壓的需要。

依照?qǐng)D4中模式控制字節(jié)的寫(xiě)入方式完成MAX1300芯片的單極性或雙極性輸入范圍、單端或差分輸入通道配置、采集工作模式的配置。

圖4 模擬輸入配置和模式控制字節(jié)的時(shí)序Fig.4 Analog input configuration and mode control byte sequence

在Keil下進(jìn)行編程并在線調(diào)試。在連接好電路之后，單片機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換程序并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)。驅(qū)動(dòng)程序如下：

SPI_Write_Cmd （0x89）； //配置 CH0和 CH1為差分輸入方式

SPI_Write_Cmd（0x88）； //0x88為外部模式0

SPI_Write_Start（0x80）； //啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)

MAX_DATA=SPI_Read（）； //讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在采集精度測(cè)試中，使用信號(hào)源輸入不同的電壓值，將A/D轉(zhuǎn)換后液晶顯示的電壓值與采樣電阻兩端的實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行比較，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該單片機(jī)設(shè)計(jì)的AD采集板具有較高的精度，但仍存在著一定的誤差。在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC的誤差在很大程度上影響著系統(tǒng)的精度[5]。因此需要對(duì)AD轉(zhuǎn)換器件MAX1300的各主要誤差源進(jìn)行分析計(jì)算[6]。

表1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Tab.1 Test result of A/D conversion circuit

MAX1300 的差分非線性（DNL）為（-1LSB，+2LSB），其DNL誤差值存在偏移，也就是說(shuō)ADC的轉(zhuǎn)換函數(shù)會(huì)發(fā)生變化，但是在以-1LSB為底限的情況下在理論上仍然可以保證不丟碼。

INL是DNL誤差的積分，在實(shí)際計(jì)算ADC的精度過(guò)程中，通常選用INL誤差。INL誤差可通過(guò)公式（1）得到，

MAX1300的INL誤差為±1LSB，聲明為無(wú)丟碼（16位精度），則它的分辨率誤差是0.001 526%。

MAX1300雙極性輸入的增益誤差為±0.3%FSR，意味著在其最大輸出時(shí)，會(huì)帶來(lái)8位 （197）的誤差，其增益誤差0.012 2%。一般情況下，在采用片內(nèi)基準(zhǔn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更大的增益誤差，可以通過(guò)采用片外基準(zhǔn)的方式減小增益誤差。

ENOB（有效位數(shù)）可由公式（2）計(jì)算得出，

假設(shè)系統(tǒng)允許0.1%的誤差，ADC允許0.075%的誤差。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇的MAX1300，其具有（-1LSB，+2LSB）的DNL，INL誤差為±1LSB（0.001 526%），增益誤差 0.012 2%，0.01%的失調(diào)誤差，1 ppm/℃的溫漂系數(shù)，在50℃范圍內(nèi)產(chǎn)生0.001%的誤差，共計(jì)0.027 4%的誤差。還有0.047 6%的誤差供基準(zhǔn)電壓源使用，在這種情況下，有較多的選擇余地。可以采取校正失調(diào)誤差和增益誤差，并選擇低噪聲的電壓基準(zhǔn)，以達(dá)到提高系統(tǒng)精度的目的。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了使用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器MAX1300完成雙通道信號(hào)的采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程。給出了系統(tǒng)硬件及軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的誤差的進(jìn)行量化分析，得出本系統(tǒng)具有高精度、較快的轉(zhuǎn)換速度、較低的CPU占用率等特點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足使用要求。

[1]許亞男，高清維，翟寄文，等.基于MAX197的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2009（6）:22-23.XU Ya-nan，GAO Qing-wei，ZHAI Ji-wen，et al.A high accuracy data acquisition system based on MAX197[J].Electronic Technology，2009（6）:22-23.

[2]張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[3]潘琢金，譯.C5081F02x單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].深圳：新華龍電子有限公司，2005.

[4]Maxim Intergrated Products.MAX1300/MAX1301 DataBook[R].2011.

[5]Walt Kester.Analog-Digital Conversion[M].2004.

[6]劉豐觀，楊虎.高速ADC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)評(píng)估方法的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012（12）:13-16.LIU Feng-guan，YANG Hu.Research on evalution for dynamic performance of high speed ADC systems[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012（12）:13-16.