張志堅，周鳳星，盧少武

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢 430081

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基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張志堅，周鳳星，盧少武

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢 430081

文中設(shè)計了一種基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用AD7760解決了在故障診斷領(lǐng)域如何快速精確采集高頻小信號的問題，并對該系統(tǒng)的硬件組成和電路設(shè)計的技術(shù)問題進行了闡述，給出了系統(tǒng)的軟件流程圖、關(guān)鍵部分程序代碼和軟件設(shè)計中的要點。將基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用在滾動軸承故障實驗平臺中，能夠高速并且精準地對高頻小信號進行采集，特別適用于微小信號處理等故障診斷領(lǐng)域。

AD7760；高速數(shù)據(jù)采集；高頻小信號；故障診斷

0 引言

在故障診斷系統(tǒng)中，高頻小信號的采集精度和采集速度尤為重要[1-2]。AD7760是一款高性能、24位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，融合了寬輸入帶寬、高速特性和∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢，以2．5MPSP的速度輸出采樣數(shù)據(jù)時，信噪比可達100 dB，能夠高速并且精確地對高頻小信號進行采集，文中依此設(shè)計了一種基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。

1 基于AD7760的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1．1 AD7760介紹

AD7760內(nèi)部由基準電壓緩沖器，∑-Δ調(diào)制器，差分放大器，可編程有限脈沖響應(yīng)濾波器，數(shù)字偏置與增益較正寄存器組成。AD7760的模擬調(diào)制器以最高40MSPS的采樣速率對輸入的差分信號進行采樣，調(diào)制器輸出數(shù)據(jù)由一系列低通濾波器處理，最后一個濾波器具有默認的或用戶可編程系數(shù)，也可以旁路這些濾波器，由數(shù)據(jù)輸出端口輸出原始信號。

1．2 硬件設(shè)計

AD7760由于采集速度最高可達到40MPSP，因此一般控制器并不能控制AD7760完成高速數(shù)據(jù)采集。文中采用一款DSP芯片TMS320F2812，TMS320F2812主頻可達到150 MHz，處理一條指令只需要6.67 ns，完全用來實現(xiàn)AD7760的高速數(shù)據(jù)采集[4]。

圖1為基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，差分信號VIN+、VIN-由滾動軸承故障實驗平臺輸出，然后通過兩根信號線連接到AD7760的差分輸入端口，AD7760的16位雙向數(shù)據(jù)總線DB0-DB15分別與TMS320F2812的IO口GPIOA0-GPIO15對應(yīng)連接，AD7760的信號線CS、RD/WR、RESET、SYNC、DRDY與TMS320F2812的IO口GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5、GPIOD6、GPIOE2-XNMI-XINT13對應(yīng)連接。文件管理芯片CH376S的SPI信號線SD_CS、SD_CLK、SD_DO、SD_DI分別與TMS320F2812的IO口GPIOF3-SPISTEA、GPIOF2-SPICLKA、GPIOF1-SPISOMIA、GPIOF0-SPISIMOA對應(yīng)連接，CH376S是文件管理控制芯片，用于控制系統(tǒng)讀寫U盤或者SD中的文件，CH376S支持三種通迅接口：8位并口、SPI接口或者異步串口，在系統(tǒng)中CH376S采用SPI接口與TMS320F2812進行通迅。

我面前的這位優(yōu)雅的藝術(shù)家，是一位和藹可親的奶奶，我調(diào)皮地叫她“夕鶴奶奶”。她微笑著對我說：“這部劇真正想要表現(xiàn)的是無私的愛?！笔茄?，愛是不分國界的，不管在日本還是在中國，愛總能引起人們的共鳴。

圖1 基于AD7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

在進行AD7760外圍電路設(shè)計時，為了提高AD7760的轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)注意以下幾點：

GpioDataRegs．GPDSET．bit．GPIOD0=1；//CS=1

(2)印刷電路板(PCB)布線對于使用高精度∑-ΔADC以達到最佳噪聲性能也非常關(guān)鍵，所有到AD7760的端口的導(dǎo)線應(yīng)盡量短，這樣可以盡可能地減少導(dǎo)線帶來的干擾。

(3)為了提高AD7760的轉(zhuǎn)換精度，電源芯片的選擇非常重要，最好使用線性電壓轉(zhuǎn)換芯片，盡量避免使用開關(guān)電源，這樣可以使穩(wěn)壓電源輸出電壓紋波小。輸出電壓接AD7760電源引腳時，每個電源引腳必須通過過氧體磁珠連接到適當?shù)碾娫?，并用一個100 nF、0603外形尺寸、X7R型電介質(zhì)電容去耦至正確的接地引腳。但有兩個例外情況：一是引腳12(AVDD4)與一個10 nF去耦電容之間必須插入一個10Ω電阻，該去耦電容連接到接地引腳9；二是引腳27(AVDD2)不需要單獨的去耦電容或直接連接電源，而是通過一個15nH電感連接到引腳14。

(4)AD7760上有兩個其它去耦引腳：引腳8(DECAPA)和引腳30(DECAPB)。引腳8通過一個100 nF電容去耦，引腳30則通過一個33 pF電容去耦。

(5)接地時需要把數(shù)字地和模塊地分開，用0Ω電阻把數(shù)字地和模擬地串聯(lián)起來。

(6)在設(shè)計電路時，AD7760的調(diào)制器輸入端口VIN+與VIN-為差分輸入端口，因此不要與電路板共地，以免影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對果蔬品質(zhì)要求也不斷提高。果蔬在運輸和加工過程中容易發(fā)生擠壓碰撞，一般會承受一些外載荷作用，可能導(dǎo)致果蔬品質(zhì)發(fā)生變化，因此對果蔬進行力學特性試驗研究可以有效減少農(nóng)產(chǎn)品的損傷，具有很高的價值。圣女果在收獲、運輸、分級、貯藏等過程中的機械損傷通常是由壓縮載荷引起的，在一般的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中圣女果又都處于完整形態(tài)。因此，對整體圣女果壓縮特性的研究可為研究圣女果損傷機理、評定產(chǎn)品品質(zhì)以及設(shè)計制造有關(guān)的各種機器提供合理、可靠的設(shè)計依據(jù)提供最佳參數(shù)[1-2]。

(7)選擇AD7760的控制器時，控制器的主頻要根據(jù)AD7760的ICLK的大小值進行選擇，以達到AD7760時序的最低要求。

1．3 軟件設(shè)計

在清華的工作中，趙忠堯愈發(fā)深感中國與西方的巨大差距，而無法接觸到世界科技前沿，更讓他焦急萬分！1927年夏天，趙忠堯已經(jīng)等不及公費名額，他決定自費去美國留學！向老師和朋友借了一些錢，又申請了清華的半費補助金，只帶了簡單的生活用品，他就遠赴重洋，去了加州理工學院攻讀博士學位，師從剛剛獲得諾貝爾物理學獎的密立根教授！

在對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計時，最好分模塊進行編寫，以下為具體軟件模塊，軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

(1)TMS320F2812端口初始化。主要針對GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5、GPIOD6、GPIOE2-XNMI-XINT13、GPIOF3-SPISTEA、GPIOF2-SPICLKA、GPIOF1-SPISOMIA、GPIOF0-SPISIMOA引腳功能的初始化。

(2)AD7760初始化。AD7760初始化包括AD7760復(fù)位和AD7760寄存器初始化。AD7760復(fù)位，每次使用前要對AD7760進行復(fù)位，使RESET變?yōu)榈碗娖剑３种辽僖粋€MCLK周期，在RESET上升沿后等待至少兩個MCLK周期，MCLK為AD7760時鐘輸入周期，本系統(tǒng)中采用的是20 MHz有源晶振，故MCLK=50ns．AD7760寄存器初始化，主要是對控制寄存器1和控制寄存器2進行初始化，所有的通信都是通過寫控制寄存器開始的。是否旁路濾波器，設(shè)置抽取率，時鐘分頻器，省電低功耗都在對AD7799初始化中完成。特別注意采集數(shù)據(jù)速率的設(shè)置，采集數(shù)據(jù)速度越快，AD穩(wěn)定的位數(shù)就會越少，所以采集數(shù)據(jù)速度根據(jù)基準、傳感器輸出信號頻度等來確定，在滿足條件下，采集數(shù)據(jù)速度應(yīng)盡量小。寄存器初始化流程圖如圖3所示。

圖3 寄存器初始化流程圖

(3)讀取并保存轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到TMS320F2812中。AD7760是24位∑-ΔADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果需要讀取兩次，第一次讀取操作輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的16個最高有效位(MSB)并存入數(shù)組FIRST[N]中，第二讀取操作輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個最低有效位(LSB)和6個狀態(tài)位并存入數(shù)據(jù)SECOND[N]中，最終結(jié)果FINAL[N]=FIRST[N]<<8 + SECOND[N]≥8。

(4)判斷是否采集完畢。采集點數(shù)在采集之前就應(yīng)該設(shè)置好，當采集點數(shù)到達設(shè)置值時，停止采集數(shù)據(jù)。

(5)把數(shù)據(jù)保存到SD卡中。數(shù)據(jù)采集完畢后，通過TMS320F2812的SPI接口把數(shù)據(jù)從TMS320F2812的FLASH中寫進SD卡中。

由于AD7760需要復(fù)位、寫兩個控制寄存器和一次轉(zhuǎn)換結(jié)果需要兩次才能讀完，因此在寫AD7760初始化程序時，時序方面要特別注意，在文中的系統(tǒng)中，AD7760使用的是20MHz晶振，因此CLK=50 ns，軟件方面需要注意以下幾點：

(1)AD7760復(fù)位時，RESET引腳先要變?yōu)榈碗娖?，持續(xù)至少50 ns，然后RESET引腳變?yōu)楦唠娖剑掷m(xù)至少100 ns．

(2)AD7760寫控制寄存器時，要先寫寄存器地址再寫入配置數(shù)據(jù)，程序見關(guān)鍵部分程序代碼。

(3)AD7760讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，先讀高16位數(shù)據(jù)再讀低16數(shù)據(jù)。需要注意的是，當中斷到來時，延遲時間會隨芯片的不同而有所區(qū)別，當延遲時間不正確時，會讀到不正確的數(shù)據(jù)，一般為0xFFFF，這個時候需要調(diào)整延遲時間，就可以讀取到正確的數(shù)據(jù)了，程序見關(guān)鍵部分程序代碼。

(4)在使用TMS320F2812的SPI接口時，要注意SPI的配置方式，SPI的通信方式要與CH376S的通信方式一致才能正確地把數(shù)據(jù)寫入到SD卡當中。

first[N]=GpioDataRegs．GPADAT．a(chǎn)ll；// 讀并行接口高16位數(shù)據(jù)

8.人文素質(zhì)：主要指人文社科知識及修養(yǎng)，主要包括選修人文修養(yǎng)課的情況及成績、參加人文及相關(guān)教育活動的情況、社會工作的次數(shù)和能力、社會實踐（參加社會實踐活動，撰寫社會實踐調(diào)查報告情況）。

//寫寄存器

void WriteRegistor(Uint16 address，Uint16 data)

{

GpioDataRegs．GPDDAT．bit．GPIOD0=1；

兩組治療前PFG、2 hPG比較差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；治療后兩組 PFG、2 hPG 較治療前顯著改善，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），治療后觀察組PFG、2 hPG明顯低于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表1。

GpioDataRegs．GPADAT．bit．GPIOD1=1；//RDWR置為高電平

GpioDataRegs．GPADAT．a(chǎn)ll=address； //先寫地址寄存器

NOP；

asm(" RPT #399 ||NOP")；//延時 400ns

GpioDataRegs．GPDCLEAR．bit．GPIOD1=1；//RDWR=0

asm(" RPT #399 ||NOP")； //延時400ns

GpioDataRegs．GPDDAT．bit．GPIOD0=1；

陶瓷繪畫工匠們在琺瑯彩的基礎(chǔ)上,發(fā)明了“玻璃白”這一不透明的乳白色顏料。在玻璃白表面繪制新彩顏料，經(jīng)過燒制可以使顏色變淡雅。又能適應(yīng)對鳥嘴，眼睛，抓等飛禽某個部位進行寫實的表現(xiàn)。粉彩只有做到這樣才有可能從色彩對比強烈的古彩基礎(chǔ)上經(jīng)過玻璃白的淡化演變?yōu)榉鄄?這樣整幅畫色彩柔和，呈現(xiàn)細膩雅致的粉彩藝術(shù)風貌?？梢钥闯觯ＡО椎某霈F(xiàn)為粉彩的形成有著重要的作用。

為研究試驗因素交互作用對羊肚菌SDF提取效果的影響，可以通過響應(yīng)面分析實現(xiàn)。通過Design-Expert 8.0.6軟件分析，所得的響應(yīng)面圖見圖5～圖10。

GpioDataRegs．GPADAT．a(chǎn)ll=data； //寫入數(shù)據(jù)

NOP；

GpioDataRegs．GPDDAT．bit．GPIOD0=0；

asm(" RPT #399 ||NOP")；//延時 400ns

GpioDataRegs．GPDDAT．bit．GPIOD0=1；//CS置為高電平

收獲機收獲甘蔗共工作119h，收獲甘蔗478t。甘蔗的種植效果、甘蔗的品種和甘蔗封閉除草、施肥培土等后期管理的不同，直接影響甘蔗切割質(zhì)量。本文收獲試驗在地塊是采用GZGZK-50 型高地隙中耕機進行試驗性中耕培土，培土不好，泥土覆蓋不均勻，不到頭，高低相差很大時，地塊平均破頭率為51.84%；而在其它地塊培土到位的，培土較好，泥土覆蓋一致，高低均勻的地塊時，平均破頭率為7.45%，結(jié)果如表1所示。

asm(" RPT #399 ||NOP")；//延時 400ns

}

//讀取數(shù)據(jù)

void Result()

{

NOP；//空閑時間6.67ns

抗生素耐藥是二十一世紀全球最緊迫的公共衛(wèi)生問題之一。2014年4月30日，世界衛(wèi)生組織《抗菌素耐藥：全球監(jiān)測報告》首次審視了全球的抗菌素耐藥情況，顯示所有地區(qū)都存在抗生素耐藥[1]。抗生素的不合理使用是導(dǎo)致細菌耐藥的主要原因[2]。我國是世界上抗生素耐藥最嚴重的國家之一[3]，據(jù)2015年全國細菌耐藥監(jiān)測報告顯示：耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的全國檢出率為35.8%；耐紅霉素肺炎鏈球菌的檢出率為91.5%[4]。

貫徹落實人民中心觀，很重要的一條就是堅持黨的領(lǐng)導(dǎo)、人民當家作主和依法治國的統(tǒng)一。“黨的領(lǐng)導(dǎo)是人民當家作主和依法治國的根本保證，人民當家作主是社會主義民主政治的本質(zhì)特征，依法治國是黨領(lǐng)導(dǎo)人民治理國家的基本方式，三者統(tǒng)一于我國社會主義民主政治偉大實踐?！盵4]36

GpioDataRegs．GPDDAT．bit．GPIOD0=0；

NOP；

GpioDataRegs．GPDCLEAR．bit．GPIOD0=1；//CS=0

asm(" RPT #13 ||NOP")；//延遲時間，會隨具體使用的AD7760有微小區(qū)別

關(guān)鍵部分程序代碼如下：

NOP；

(1)最好采用專門的基準穩(wěn)壓電源芯片ADR434，這樣可以與調(diào)制器的2．5V電源分開，基準電壓波動會比較小，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果也就會比較精確。

NOP；

GpioDataRegs．GPDSET．bit．GPIOD1=1；//RDWR=1

asm (" RPT #6 ||NOP")； //normal power

GpioDataRegs．GPDCLEAR．bit．GPIOD1=1；//RDWR=0

另一方面，在中方征稅清單中，農(nóng)產(chǎn)品是反制的重點領(lǐng)域。目前我國進口大豆占從美進口農(nóng)產(chǎn)品總額的60% 左右。未來我國可能擴大其他大豆生產(chǎn)國進口規(guī)模（目前巴西占我國大豆進口量的1/2以上，大于美國1/3的占比），預(yù)計對沿海港口吞吐量的影響不大。

NOP；

從三次產(chǎn)業(yè)的投資情況看，第一產(chǎn)業(yè)投資增長 36.5%，第二產(chǎn)業(yè)投資增長12.0%，第三產(chǎn)業(yè)投資增長8.9%。

GpioDataRegs．GPDCLEAR．bit．GPIOD0=1；//CS=0

asm (" RPT #9 ||NOP")； //normal power

second[N]=GpioDataRegs．GPADAT．a(chǎn)ll；// 讀并行接口低16位數(shù)據(jù)

NOP；

GpioDataRegs．GPDSET．bit．GPIOD0=1；//CS=1

NOP；

GpioDataRegs．GPDSET．bit．GPIOD1=1；//RDWR=1

}

阿什河流域內(nèi)土壤飽和導(dǎo)水率與土壤儲水能力的空間數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。阿什河流域東部森林分布區(qū)土壤飽和保水率大、土壤儲水能力相對較強，具有很強的下滲性，加之土壤儲水能力較強，對流經(jīng)河岸植被緩沖帶的地表水體的滯留能力也較強；對地下水而言，飽和導(dǎo)水率越大，流經(jīng)河岸植被緩沖帶的地下水流速也相對較大。而阿什河流域西部地區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率與土壤儲水能力較弱，對地表水阻流作用較小，但對地下水的滯留時間相對較長。

2 在滾動軸承故障實驗平臺上的應(yīng)用

圖4為滾動軸承故障實驗平臺，該平臺主要包括滾動故障實驗機械平臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的機械部分有變速驅(qū)動電機、軸承、調(diào)速器等，還包括被測部件有缺陷的軸承(外圈缺陷、內(nèi)圈缺陷、滾柱缺陷)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成，振動信號通過傳感器(加速度傳感器)經(jīng)過恒流電壓源以后送到數(shù)據(jù)采集卡采集，然后送到計算機系統(tǒng)保存或者直接用于分析。在實驗中，滾動軸承故障實驗平臺的兩根信號線直接接到AD7760的調(diào)制器差分輸入端口，當采集完畢之后，把數(shù)據(jù)保存到SD卡中，最后采集結(jié)果從SD卡中導(dǎo)出，圖5和圖6為在振動測試平臺轉(zhuǎn)速分別為20 rpm和150 rpm時采集的信號，可以看到AD7760很適合采集高頻小信號，具有高速、高精度的特點。

圖4 振動測試平臺

圖5 滾動軸承故障實驗平臺20 rpm時采集的信號

圖6 滾動軸承故障實驗平臺150 rpm時采集的信號

3 結(jié)束語

AD7760具有高精度、低功耗和高速數(shù)據(jù)采集等特點在測量儀表和故障診斷等領(lǐng)域具有寬廣的使用價值?；贏D7760的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以高速并且精確地采集高頻小信號，在信號處理方面具有其獨特的優(yōu)勢。

[1] 楊振江．智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件應(yīng)用．西安：西安電子科技大學出版社，2001

[2] 楊賢昭．基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的故障診斷方法研究：[學位論文]．武漢，武漢科技大學，2012.

[3] Analog Devices，Inc．AD7760 Manual，2006．

[4] 蘇奎峰，蔡昭權(quán)，呂強，等．TMS320X281X DSP 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計：[學位論文]北京：北京航空航天大學出版社，2008．

High Speed Data Acquisition System Based on AD7760

ZHANG Zhi-jian，ZHOU Feng-xing，LU Shao-wu

(School of Information Science and Engineering，Wuhan University Of Science and Technology，Wuhan 430081,China)

A high speed data acquisition system based on AD7760 was designed in the paper.AD7760 was used to quickly and accurately solve the problems of acquiring high-frequency small signal in the fault diagnosis field.The technical problems of hardware components and circuit design were introduced,and the software flow chat,the program codes and the main points of the software design were presented.The system was used in the experimental platform for rolling bearing fault,and it can quickly and accurately acquire high frequency small signal and can be especially suitable for the field of fault diagnosis of small signal processing.

AD7760; high speed data acquisition; high frequency small signal; fault diagnosis

國家自然科學基金(61174106)資助項目

2013-12-16 收修改稿日期：2014-11-15

TP271

A

1002-1841(2015)01-0024-03