基于AD4020的高精度AD采集系統(tǒng)

田煥霞 蕭飛 田策 王二鵬

摘 要：為滿足準(zhǔn)確、快速和高分辨率的數(shù)據(jù)采集，ADI公司推出了20位的AD4020芯片。利用本芯片及MCU，設(shè)計(jì)了一套高速、高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以快速準(zhǔn)確對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，反饋信號(hào)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(duì)于整個(gè)采集系統(tǒng)，給出原理圖，軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)描述。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)采集系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：SPI；INL；20bit；低噪聲；低功耗

中圖分類號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)行離子偏轉(zhuǎn)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(duì)設(shè)定電流和反饋電流進(jìn)行運(yùn)算，而采樣作為其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，具有重要的作用。AD轉(zhuǎn)換的精度，決定了系統(tǒng)的控制精度。因?yàn)锳D4020芯片具有較高的性價(jià)比，故最終選用本芯片作為采集系統(tǒng)的關(guān)鍵器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前在工業(yè)領(lǐng)域，AD采集的位數(shù)一般多為12bit。但這個(gè)分辨率在高穩(wěn)定度恒流源領(lǐng)域中不能取得很好的控制效果。為了達(dá)到高分辨率目的，考慮到微控制器的技術(shù)水準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體的STM32F407芯片作為控制器，20位的AD4020作為AD采集的關(guān)鍵部件，ADR4540芯片作為AD4020的基準(zhǔn)源。為使外部模擬信號(hào)得到更好的調(diào)理，分別在兩條外部模擬信號(hào)線上使用低噪聲運(yùn)放芯片ADA4807進(jìn)行跟隨處理。

STM32F407通過3線制的SPI接口與AD4020芯片進(jìn)行通訊，既避免了傳統(tǒng)并口占用較多IO引腳的缺點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了快速傳輸。本案的SPI的時(shí)鐘為21MHz。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)快速傳輸，啟用了SPI中斷接收功能，使得加快PID控制器的調(diào)節(jié)周期，從而使電流的輸出更加平穩(wěn)細(xì)膩。

3 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

是否能采集到數(shù)據(jù)取決于AD4020，采集數(shù)據(jù)的可用性則取決于MCU，即STM32F407。STM32F407作為意法半導(dǎo)體的中高端的微控制器，具有32位字長，高達(dá)168 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，具有3路時(shí)鐘高達(dá)21MHz的SPI接口，內(nèi)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(jìn)行基于SPI通訊。AD4020的外圍的電路——基準(zhǔn)源、信號(hào)調(diào)理、LDO及退耦處理見圖2。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)是Keil V5.0，并使用意法半導(dǎo)體的HAL庫。與標(biāo)準(zhǔn)庫相比，HAL庫具有更嚴(yán)謹(jǐn)及更高的抽象整合水平，HAL API集中關(guān)注各外設(shè)的公共函數(shù)功能，并定義通用的API函數(shù)接口，從而可以輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的移植。

軟件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是通過SPI接口將AD4020讀取到的數(shù)據(jù)接收到STM32F407。其整體構(gòu)架依次是系統(tǒng)時(shí)鐘樹的生成、I/O引腳初始化、外設(shè)初始化和中斷接收，共4大部分。在SPI中斷服務(wù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取拼接，以得到完整的原始數(shù)據(jù)。

5 關(guān)鍵描述

SPI數(shù)據(jù)拼接問題：STM32F407的SPI幀長度為8位，但是AD4020的數(shù)據(jù)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(gè)數(shù)據(jù)幀和第3個(gè)幀的高4位拼接成一個(gè)20位的數(shù)據(jù)，即為原始信號(hào)的采數(shù)據(jù)。對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｔ谧x取數(shù)據(jù)前先將CNV引腳拉高開始AD采集轉(zhuǎn)換，持續(xù)特定時(shí)間后再將其拉低并開始讀取數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

筆者從項(xiàng)目的實(shí)際需求入手，設(shè)計(jì)了本高分辨率AD采集系統(tǒng)。并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部分等方面進(jìn)行闡述。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于高穩(wěn)定度恒流源的控制系統(tǒng)，AD采集數(shù)據(jù)反饋準(zhǔn)確、快速、有效，達(dá)到了預(yù)期目的。

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