田煥霞 蕭飛 田策 王二鵬

摘 要：為滿足準確、快速和高分辨率的數據采集，ADI公司推出了20位的AD4020芯片。利用本芯片及MCU，設計了一套高速、高分辨率的數據采集系統(tǒng)，以快速準確對電流信號進行采集，反饋信號以中斷方式饋入PID控制器，通過PID控制器以保證電源輸出電流的穩(wěn)定度。對于整個采集系統(tǒng)，給出原理圖，軟件設計及關鍵節(jié)點描述。通過實驗驗證，整個采集系統(tǒng)達到設計要求，系統(tǒng)可以正常運行。

關鍵詞：SPI；INL；20bit；低噪聲；低功耗

中圖分類號：TP274.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0058-02

Abstract： In order to meet the requirement of accurate， fast and high-resolution data acquisition， ADI Company has developed a 20-bit AD4020 chip. A high-speed and high-resolution data acquisition system is designed using this chip and MCU. The current signal is collected quickly and accurately， and the feedback signal is fed into PID controller by interrupt mode. PID controller is used to ensure the stability of the output current of the power supply. For the whole acquisition system， the schematic diagram， the software design and the description of the key nodes are given. Through the experimental verification， the whole acquisition system meets the design requirements， the system can operate normally.

Keywords： SPI； INL； 20bit； low noise； low power consumption

1 概述

超高穩(wěn)定度的恒流源在離子加速器中進行離子偏轉具有重要的作用。為保證電源輸出電流的穩(wěn)定度，一般采用PID控制器對設定電流和反饋電流進行運算，而采樣作為其中關鍵的環(huán)節(jié)，具有重要的作用。AD轉換的精度，決定了系統(tǒng)的控制精度。因為AD4020芯片具有較高的性價比，故最終選用本芯片作為采集系統(tǒng)的關鍵器件進行系統(tǒng)設計。

2 系統(tǒng)結構設計

目前在工業(yè)領域，AD采集的位數一般多為12bit。但這個分辨率在高穩(wěn)定度恒流源領域中不能取得很好的控制效果。為了達到高分辨率目的，考慮到微控制器的技術水準。本系統(tǒng)采用意法半導體的STM32F407芯片作為控制器，20位的AD4020作為AD采集的關鍵部件，ADR4540芯片作為AD4020的基準源。為使外部模擬信號得到更好的調理，分別在兩條外部模擬信號線上使用低噪聲運放芯片ADA4807進行跟隨處理。

STM32F407通過3線制的SPI接口與AD4020芯片進行通訊，既避免了傳統(tǒng)并口占用較多IO引腳的缺點，又實現(xiàn)了快速傳輸。本案的SPI的時鐘為21MHz。為實現(xiàn)系統(tǒng)數據快速傳輸，啟用了SPI中斷接收功能，使得加快PID控制器的調節(jié)周期，從而使電流的輸出更加平穩(wěn)細膩。

3 硬件設計實現(xiàn)

是否能采集到數據取決于AD4020，采集數據的可用性則取決于MCU，即STM32F407。STM32F407作為意法半導體的中高端的微控制器，具有32位字長，高達168 MHz的系統(tǒng)時鐘，具有3路時鐘高達21MHz的SPI接口，內置512KB FLASH，原理圖如圖1所示。

AD4020芯片采用5V和1.8V供電，具有SPI接口，可以方便地與STM32F407進行基于SPI通訊。AD4020的外圍的電路——基準源、信號調理、LDO及退耦處理見圖2。

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺是Keil V5.0，并使用意法半導體的HAL庫。與標準庫相比，HAL庫具有更嚴謹及更高的抽象整合水平，HAL API集中關注各外設的公共函數功能，并定義通用的API函數接口，從而可以輕松實現(xiàn)產品的移植。

軟件實現(xiàn)的目標是通過SPI接口將AD4020讀取到的數據接收到STM32F407。其整體構架依次是系統(tǒng)時鐘樹的生成、I/O引腳初始化、外設初始化和中斷接收，共4大部分。在SPI中斷服務中對數據進行截取拼接，以得到完整的原始數據。

5 關鍵描述

SPI數據拼接問題：STM32F407的SPI幀長度為8位，但是AD4020的數據幀是20位，二者在幀長度上無法匹配。故采取的策略是取前2個數據幀和第3個幀的高4位拼接成一個20位的數據，即為原始信號的采數據。對于AD4020本案例采用3線制SPI，具體做法：將SPI中的MOSI引腳電平拉高，使用CNV引腳兼顧片選及啟動數據傳輸的功能。在讀取數據前先將CNV引腳拉高開始AD采集轉換，持續(xù)特定時間后再將其拉低并開始讀取數據。

6 結束語

筆者從項目的實際需求入手，設計了本高分辨率AD采集系統(tǒng)。并從系統(tǒng)設計、硬件設計、軟件設計及關鍵部分等方面進行闡述。該系統(tǒng)已經應用于高穩(wěn)定度恒流源的控制系統(tǒng)，AD采集數據反饋準確、快速、有效，達到了預期目的。

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