基于dsp的多通道數據采集系統的設計

孫元杰 周士貴 宋磊

摘? 要： 針對DSP內部AD采樣電路精度低等問題，設計了一種以AD7606高精度實時的模數轉換器，進行采集交流信號，并介紹分析了AD7606得硬件電路和軟件設計。最后通過實驗對比了DSP TMS320F28335內部AD和AD7606這兩種模數轉換得精度，相對于DSP TMS320F28335內部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的數據得采集轉換。

關鍵詞： AD7606;硬件電路;高速采樣

中圖分類號： TP274.2? ? 文獻標識碼： 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的多通道數據采集系統的設計[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

隨著永磁同步電機的廣泛應用，各種控制算法控制理論的不斷在永磁同步電機的控制中應用。然而現在主流的永磁電機的控制大部分是基于矢量控制的基礎上進行各種算法的應用，在電機的矢量控制過程中需要采集三相交流信號和直流測的母線電壓。信號采集的準確性對整個系統的控制尤為重要。只有從基礎上提高準確性才能夠讓電機的控制算法體現出本有的優勢，如果采集的信號不精準不實時反而對系統的穩定性起到了反作用。

ADC是數據采集的一重要的環節，DSP TMS320F28335內部AD轉換速度慢誤差大分辨率低不能夠很好得滿足要求，針對此問題本文采用了具有8通到且每一通道為16位的AD7606模數轉換芯片[1]，此芯片轉換速度快且分辨率高可實現性能優異的信噪比（SNR），滿足測量交流小信號的性能指標。通過實驗對比發現AD7606相對于DSP TMS320F28335內部AD轉換模塊具有更高得精度，更小的誤差等，能夠對永磁同步電機控制的性能和穩定性有很大的提升。

1? 硬件電路的設計

基于dsp的多通道數據采集系統主要有四部分組成具體如圖1，該系統的四部分分別為：信號轉換模塊、信號采集模塊、DSP主處理器模塊、電源模塊。各個模塊的功能如下：

（1）信號轉換模塊：該模塊的主要作用是將電機測的三相交流電流信號經互感器轉換為小信號。

（2）信號采集模塊：該模塊的主要作用是將信號處理之后的信號，進行采樣模數轉換。

（3）DSP主處理器模塊：該模塊是整個系統的控制單元，控制AD7606的轉換啟動等等。

（4）電源模塊：該模塊為整個系統進行供電，確保整個系統能夠穩定的運行。

1.1? 信號調理電路

由于三相交流測采用電流互感器進行采樣，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中存在負值，不能夠直接送給AD7606模數轉換模塊，因此選用了如圖2所示的信號處理電路，首先需要將電流信號轉換為對應的電壓信號因此在互感器的輸出側接一電阻將電流信號轉換為電壓信號（10 V-10 V）。然后使用opa2350設計的一電壓抬升反向差分放大電路將10～10 V的電壓信號轉換為0～3 V的電壓信號。圖中Vref為1.8v的電壓信號，Vsh-U Vsh-V，為10～10 V的電壓信號。

抬升的電壓：1.8*R141/（R141+R121）=1.5 V。

放大倍數：（R101+R111）/R81=0.15。

1.2? AD轉換芯片AD7606

本文所設計的系統采用的是具有16位同步采樣的8通道AD7606作為模數轉換器，數據轉換的速度最高為200 kS/S[2]。該芯片相對于其他模數轉換芯片片內含有多種功能的電路，例如具有片內的模擬輸入箝位保護電路，無需自己設計保護電路;具有片內二階抗混疊濾波器，無需進行外部濾波器的設計，同時由于內部含有輸入阻抗高達11 MΩ高輸入阻抗調理電路，因此又省略了驅動電路的設計，大大的簡化了整體電路的設計。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較多，但是此種方式的傳輸速度快，能夠實現數據的快速的采集。因此選擇將AD7606的PAR/SER引腳設置為低電平，即選擇了并行通信[2]。具體電路設計如圖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，可提供快速瞬態響應、寬輸入電壓具有較寬的范圍、低靜態電流、低噪聲等優點。具有過流過壓保護使用此芯片無需復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提供很穩定的工作電壓。電路中的電容主要用于濾出電壓信號中的噪聲使輸出的電壓更加平滑穩定可靠電源電路如圖4所示。

2? 采樣系統的軟件實現

2.1? AD7606的時序分析

在進行數據采樣時要確保AD7606先進行一次復位，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行采樣，因此需要獨立的控制CONVSTA和CONVSTB兩個引腳來進行采樣，此采樣方式只有在不過采樣的情況下才可以。CONVSTA是啟動第一組采樣通道（DB1-4）的同步采樣，CONVSTB是啟動第二組采樣通道（DB5-8）的同步采樣[3]。當CONVSTA上升沿時，第一組同步采樣的數據通道的采集增益器進入到工作狀態，當CONVSTB上升沿時，第二組同步采樣的數據通道的采集增益器進入到工作狀態。當CONVSTA和CONVSTB都達到高電平時AD7606的模數轉換工作開始。當CONVSTB達到高電平時，BUSY信號轉變為高電平，并保持TCONV時間。TCONV時間的長短與過采樣倍率有關，過采樣的倍率越大，TCONV的時間越長，當8的通道都轉換完成時BUSY信號又轉換為低電平。具體時序圖如圖5。

2.2? AD傳遞函數

AD7606模數轉換之后輸出為二進制數的補碼。所有的二進制碼都是在最低有效位（LSB）的二分之一初進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位的數據，在內部進行轉換轉換為實際的電壓值，電壓值的計算公式如下：VIN=（5 V*CODE）/32768。

2.3? 數據采集軟件流程圖

系統控制程序主要有初始化程序、AD7606初始化程序、Epwm中斷程序、數據采集計算程序等構成。在數據采集之前需要將整個系統初始化，使系統準備進入工作模式，在初始化中主要包括DSP系統初始化AD7606的初始化，選擇此芯片的模擬輸入的范圍，IO口的設置等等。由于采樣速度和時序的要求因此數據的采集的計算處理都是在Epwm中斷中進行的。如圖7所示。

2.4? 數據的穩定性分析測試

數據采集系統采集到的數據的穩定可靠是該系統的重要要求，為了驗證該系統的穩定可靠采取了以下進行電流的采集。本文所設計的系統中的采樣頻率為100 k，在中斷中連續采樣1 ms即采樣100個數據值。首先在第dsp中設置一個存放100數據的緩沖區，依次將采集的數據存入緩沖區，當緩沖區內的數據個數達到100時，下一個數據在進入時第一個數據就會被覆蓋。當緩沖區內的數據達到100時，進行計算平均電流信號值。假設100個數據的平方值為A，當前采樣的值的平方值為B，覆蓋掉的值的平方值為C，則當前時刻的平方和為sum=A2+B2C2，對上式開根號既可以得到計算處理后的電壓值。

3? 實驗結果與分析

為了驗證所設計的AD7606數模轉換電路的正確性和相對于DSP內部AD具有高精度，誤差小實時性高等優點搭建了實驗平臺進行實驗。實驗主要分為兩個實驗進行測試一是驗證AD7606具有精度高誤差小的優點，二是驗證AD7606具有較高的采集速度且不失真。

3.1? 數據誤差和精度分析

實驗的主要目的是為了檢測所設計的ad7606數模轉換電路的誤差并和DSP內部AD對比。實驗主要設備有線性直流電源，臺式數字萬應表，DSP TMS320F28335主控板一套。可編程線性直流電源作為輸入信號分別給AD7606和DSP內部AD，臺式數字萬應表對線性直流電源的輸出電壓進行測量，DSP TMS320F28335主控板將每采集100次的數據按照上述處理方法處理，然后與實際值進行對比算取誤差然后分析。具體的數據采集結果如表1，從表中可以清晰的看到AD7606的測量誤差均在0.45%以內，DSP內部AD測量值誤差在1%以內，顯然可以得到AD7606相比于DSP內部AD具有較高的精度誤差小。

3.2? 高速采集時的分析

電機控制系統中因需要采集交流信號，因此用信號發生器模擬出需要采集得交流信號分別通過AD7606和DSP內部AD進行采樣轉換成數字信號，然后通過一高精度DA模塊轉換成模擬信號通過一示波器進行觀測。從圖8和圖9可以清晰的看出使用了AD7606的數模轉換模塊采集的數據較DSP內部AD具有明顯的優勢，數據失真度小，波動的范圍小。

4? 結語

本文針對dsp內部AD精度和穩定性達不到信號的采集要求，設計了外部AD7606數模轉換模塊并通過實驗分別測試了兩種AD的誤差等信息，相對內部AD外部AD7606具有明顯的優勢，數據精度高，采集的信號失真小，易于實現等優點。對電機控制系統穩定性和控制的效果具有很大的提升。

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