孫元杰 周士貴 宋磊

摘? 要： 針對(duì)DSP內(nèi)部AD采樣電路精度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以AD7606高精度實(shí)時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行采集交流信號(hào)，并介紹分析了AD7606得硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了DSP TMS320F28335內(nèi)部AD和AD7606這兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換得精度，相對(duì)于DSP TMS320F28335內(nèi)部AD，AD7606具有采樣精度更高，誤差小，能夠高速采樣，適用于永磁同步電機(jī)的數(shù)據(jù)得采集轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞： AD7606;硬件電路;高速采樣

中圖分類號(hào)： TP274.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.026

本文著錄格式：孫元杰，周士貴，宋磊. 基于DSP的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（10）：105108

【Abstract】： Aiming at the low accuracy of the internal AD sampling circuit of the DSP， a high-precision real-time digital-to-analog converter based on the AD7606 is designed， and the hardware circuit and software design of the AD7606 are introduced and analyzed. Finally， the two AD-analog conversion precisions in the DSP TMS320F28335 and AD7606 are compared through experiments. Compared with the DSP TMS320F28335 AD， the AD7606 has higher sampling accuracy， less error， and high real-time performance. Acquisition conversion.

【Key words】： AD7606; Hardware circuit; High-speed sampling

0? 引言

隨著永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用，各種控制算法控制理論的不斷在永磁同步電機(jī)的控制中應(yīng)用。然而現(xiàn)在主流的永磁電機(jī)的控制大部分是基于矢量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種算法的應(yīng)用，在電機(jī)的矢量控制過(guò)程中需要采集三相交流信號(hào)和直流測(cè)的母線電壓。信號(hào)采集的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制尤為重要。只有從基礎(chǔ)上提高準(zhǔn)確性才能夠讓電機(jī)的控制算法體現(xiàn)出本有的優(yōu)勢(shì)，如果采集的信號(hào)不精準(zhǔn)不實(shí)時(shí)反而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了反作用。

ADC是數(shù)據(jù)采集的一重要的環(huán)節(jié)，DSP TMS320F28335內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換速度慢誤差大分辨率低不能夠很好得滿足要求，針對(duì)此問(wèn)題本文采用了具有8通到且每一通道為16位的AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[1]，此芯片轉(zhuǎn)換速度快且分辨率高可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的信噪比（SNR），滿足測(cè)量交流小信號(hào)的性能指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)AD7606相對(duì)于DSP TMS320F28335內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊具有更高得精度，更小的誤差等，能夠?qū)τ来磐诫姍C(jī)控制的性能和穩(wěn)定性有很大的提升。

1? 硬件電路的設(shè)計(jì)

基于dsp的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有四部分組成具體如圖1，該系統(tǒng)的四部分分別為：信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊、DSP主處理器模塊、電源模塊。各個(gè)模塊的功能如下：

（1）信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊：該模塊的主要作用是將電機(jī)測(cè)的三相交流電流信號(hào)經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換為小信號(hào)。

（2）信號(hào)采集模塊：該模塊的主要作用是將信號(hào)處理之后的信號(hào)，進(jìn)行采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（3）DSP主處理器模塊：該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，控制AD7606的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)等等。

（4）電源模塊：該模塊為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。

1.1? 信號(hào)調(diào)理電路

由于三相交流測(cè)采用電流互感器進(jìn)行采樣，本文所采用的是變比為1000∶1且額定電流為10 A的電流互感器。由于電流互感器輸出的信號(hào)中存在負(fù)值，不能夠直接送給AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，因此選用了如圖2所示的信號(hào)處理電路，首先需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)因此在互感器的輸出側(cè)接一電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（10 V-10 V）。然后使用opa2350設(shè)計(jì)的一電壓抬升反向差分放大電路將10～10 V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號(hào)。圖中Vref為1.8v的電壓信號(hào)，Vsh-U Vsh-V，為10～10 V的電壓信號(hào)。

抬升的電壓：1.8*R141/（R141+R121）=1.5 V。

放大倍數(shù)：（R101+R111）/R81=0.15。

1.2? AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是具有16位同步采樣的8通道AD7606作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度最高為200 kS/S[2]。該芯片相對(duì)于其他模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片片內(nèi)含有多種功能的電路，例如具有片內(nèi)的模擬輸入箝位保護(hù)電路，無(wú)需自己設(shè)計(jì)保護(hù)電路;具有片內(nèi)二階抗混疊濾波器，無(wú)需進(jìn)行外部濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)由于內(nèi)部含有輸入阻抗高達(dá)11 MΩ高輸入阻抗調(diào)理電路，因此又省略了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，大大的簡(jiǎn)化了整體電路的設(shè)計(jì)。由于本文所采用的并行通信，雖然此通信方式所需的線路數(shù)較多，但是此種方式的傳輸速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速的采集。因此選擇將AD7606的PAR/SER引腳設(shè)置為低電平，即選擇了并行通信[2]。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.3? 電源電路

由于ad7606需要5 V供電，選用TI的tps7350。Tps7350是低功耗低壓降的線性電源，輸入5.33 V至10 V，5 V輸出，500 mA輸出，可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、寬輸入電壓具有較寬的范圍、低靜態(tài)電流、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。具有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)使用此芯片無(wú)需復(fù)雜的外圍電路就能夠得到良好的輸出電壓。該芯片輸出電壓有很小的紋波，能為AD7606提供很穩(wěn)定的工作電壓。電路中的電容主要用于濾出電壓信號(hào)中的噪聲使輸出的電壓更加平滑穩(wěn)定可靠電源電路如圖4所示。

2? 采樣系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1? AD7606的時(shí)序分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)要確保AD7606先進(jìn)行一次復(fù)位，因此需要在RESET引腳施加不少于50ns的高電平。由于本文所采用的是輸入通到以兩組的形式同步進(jìn)行采樣，因此需要獨(dú)立的控制CONVSTA和CONVSTB兩個(gè)引腳來(lái)進(jìn)行采樣，此采樣方式只有在不過(guò)采樣的情況下才可以。CONVSTA是啟動(dòng)第一組采樣通道（DB1-4）的同步采樣，CONVSTB是啟動(dòng)第二組采樣通道（DB5-8）的同步采樣[3]。當(dāng)CONVSTA上升沿時(shí)，第一組同步采樣的數(shù)據(jù)通道的采集增益器進(jìn)入到工作狀態(tài)，當(dāng)CONVSTB上升沿時(shí)，第二組同步采樣的數(shù)據(jù)通道的采集增益器進(jìn)入到工作狀態(tài)。當(dāng)CONVSTA和CONVSTB都達(dá)到高電平時(shí)AD7606的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作開(kāi)始。當(dāng)CONVSTB達(dá)到高電平時(shí)，BUSY信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，并保持TCONV時(shí)間。TCONV時(shí)間的長(zhǎng)短與過(guò)采樣倍率有關(guān)，過(guò)采樣的倍率越大，TCONV的時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)8的通道都轉(zhuǎn)換完成時(shí)BUSY信號(hào)又轉(zhuǎn)換為低電平。具體時(shí)序圖如圖5。

2.2? AD傳遞函數(shù)

AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換之后輸出為二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼。所有的二進(jìn)制碼都是在最低有效位（LSB）的二分之一初進(jìn)行的其中最低有效位的大小為FSR/65536[3]。AD7606的傳遞特性如圖6所示。

本文選擇0～5 V作為模擬數(shù)去的范圍，從而可以得到LSB=5 V/32768=0.15 mV。DSP把從ADC7606采集的16位的數(shù)據(jù)，在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓值，電壓值的計(jì)算公式如下：VIN=（5 V*CODE）/32768。

2.3? 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

系統(tǒng)控制程序主要有初始化程序、AD7606初始化程序、Epwm中斷程序、數(shù)據(jù)采集計(jì)算程序等構(gòu)成。在數(shù)據(jù)采集之前需要將整個(gè)系統(tǒng)初始化，使系統(tǒng)準(zhǔn)備進(jìn)入工作模式，在初始化中主要包括DSP系統(tǒng)初始化AD7606的初始化，選擇此芯片的模擬輸入的范圍，IO口的設(shè)置等等。由于采樣速度和時(shí)序的要求因此數(shù)據(jù)的采集的計(jì)算處理都是在Epwm中斷中進(jìn)行的。如圖7所示。

2.4? 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析測(cè)試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠是該系統(tǒng)的重要要求，為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠采取了以下進(jìn)行電流的采集。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中的采樣頻率為100 k，在中斷中連續(xù)采樣1 ms即采樣100個(gè)數(shù)據(jù)值。首先在第dsp中設(shè)置一個(gè)存放100數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，依次將采集的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到100時(shí)，下一個(gè)數(shù)據(jù)在進(jìn)入時(shí)第一個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)被覆蓋。當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到100時(shí)，進(jìn)行計(jì)算平均電流信號(hào)值。假設(shè)100個(gè)數(shù)據(jù)的平方值為A，當(dāng)前采樣的值的平方值為B，覆蓋掉的值的平方值為C，則當(dāng)前時(shí)刻的平方和為sum=A2+B2C2，對(duì)上式開(kāi)根號(hào)既可以得到計(jì)算處理后的電壓值。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的正確性和相對(duì)于DSP內(nèi)部AD具有高精度，誤差小實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試一是驗(yàn)證AD7606具有精度高誤差小的優(yōu)點(diǎn)，二是驗(yàn)證AD7606具有較高的采集速度且不失真。

3.1? 數(shù)據(jù)誤差和精度分析

實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)的ad7606數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的誤差并和DSP內(nèi)部AD對(duì)比。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備有線性直流電源，臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)應(yīng)表，DSP TMS320F28335主控板一套?？删幊叹€性直流電源作為輸入信號(hào)分別給AD7606和DSP內(nèi)部AD，臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)應(yīng)表對(duì)線性直流電源的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，DSP TMS320F28335主控板將每采集100次的數(shù)據(jù)按照上述處理方法處理，然后與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比算取誤差然后分析。具體的數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表1，從表中可以清晰的看到AD7606的測(cè)量誤差均在0.45%以內(nèi)，DSP內(nèi)部AD測(cè)量值誤差在1%以內(nèi)，顯然可以得到AD7606相比于DSP內(nèi)部AD具有較高的精度誤差小。

3.2? 高速采集時(shí)的分析

電機(jī)控制系統(tǒng)中因需要采集交流信號(hào)，因此用信號(hào)發(fā)生器模擬出需要采集得交流信號(hào)分別通過(guò)AD7606和DSP內(nèi)部AD進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)一高精度DA模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)通過(guò)一示波器進(jìn)行觀測(cè)。從圖8和圖9可以清晰的看出使用了AD7606的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集的數(shù)據(jù)較DSP內(nèi)部AD具有明顯的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)失真度小，波動(dòng)的范圍小。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)dsp內(nèi)部AD精度和穩(wěn)定性達(dá)不到信號(hào)的采集要求，設(shè)計(jì)了外部AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了兩種AD的誤差等信息，相對(duì)內(nèi)部AD外部AD7606具有明顯的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)精度高，采集的信號(hào)失真小，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制的效果具有很大的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]史籍， 常越， 李海國(guó). 基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化， 2016， 38（1）： 15-18.

[2]肖李歡， 黃元峰， 代文澤， 等. 基于AD7606的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)， 2017， 13（20）： 210- 211+214.

[3]孟令進(jìn)， 劉三軍. 基于Nios II的AD7606控制器IP核設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)與信息化， 2020（2）： 54-57.

[4]高瑛， 謝戰(zhàn)洪， 王大鵬. 兩片ADS7863與TMS320F28335的接口設(shè)計(jì)[J]. 通信技術(shù)， 2011， 44（7）： 126-129.

[5]韓賓， 易志強(qiáng)， 江虹， 等. 一種高精度多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2019（9）： 42-45.

[6]宋璐雯. 基于DSP平臺(tái)的JPEG2000 EBCOT-Tier2算法實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 139-143.

[7]黃濤. 基于小波的電能質(zhì)量電壓信號(hào)奇異性分析[J]. 軟件， 2018， 39（11）： 105-109.

[8]符博博， 田英華， 鄭娜娥. 陣列信號(hào)中信源數(shù)估計(jì)方法的研究[J]. 軟件， 2015， 36（12）： 197-200.