多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 解佳鵬

本文設計了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對采集系統(tǒng)的調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控電路及軟件的設計，實現(xiàn)了對配電系統(tǒng)的電壓及電流的數(shù)字化。

隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集已不能滿足現(xiàn)在對配電系統(tǒng)高測試性及數(shù)字化的需求。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)完成了供電的分配控制，新型配電配電系統(tǒng)既要完成供電的數(shù)字控制，同時要完成對供電信息的數(shù)字化。

對供電信息的數(shù)字化，本文設計了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有48通道的數(shù)據(jù)采集能力，可以完成對一個配電柜供電信息的數(shù)字化。

1 系統(tǒng)設計

如圖1所示，系統(tǒng)由主控單元、數(shù)據(jù)采集單元及傳感器組組成。主控單元采用TMS320F28335數(shù)字信號控制器；數(shù)據(jù)采集單元采用AD7091R-8作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，數(shù)據(jù)采集單元由6個AD7091R-8組成，共48個模數(shù)換通道；傳感器組主要實現(xiàn)將電壓、電流的信號轉(zhuǎn)換成小直流信號，采用LEM公司的電壓霍爾及電流霍爾傳感器組成。

圖1 檢測系統(tǒng)的組成

2 硬件設計

2.1 調(diào)理電路設計

調(diào)理電路主要是將傳感器組輸出的信號調(diào)理成A/D轉(zhuǎn)換器輸入需要的信號。本設計的傳感器組輸出的信號為0～5V的直流信號，調(diào)理電路采用電壓跟隨電路，如圖2所示。LM324內(nèi)部集成4路運放，可以用來搭建四路電壓跟隨電路，用來進行AD轉(zhuǎn)換的阻抗匹配。

圖2 調(diào)理電路設計

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

AD7091R-8模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一款低功耗、8通道、采樣速率高達1MSPS的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片還內(nèi)置2.5V的精密基準電壓源、單級緩沖放大器、高速串行接口（SPI）。AD7091R-8系列具有多達8個帶通道序列器的單端模擬輸入，可以通過預先編程選擇通道轉(zhuǎn)換順序。

AD7091R-8集成串行端口接口(SPI)，可在完成轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)，同時具有1 MSPS吞吐速率。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集利用CONVST引腳控制。

AD7901R-8供電采用直流5V供電，6個AD7901R-8的高速串口并聯(lián)，CONVST管腳并聯(lián)，通過CS管腳進行片選。每個AD7901R-8的硬件設計如圖3所示。

圖3 A/D電路設計

2.3 主控電路設計

主控電路采用TMS320F28335為主控芯片，該芯片采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達150MHz，采用1.9V/1.8V內(nèi)核供電，3.3VI/O供電，具有高性能的32位CPU，支持單精度浮點運算，同時外設單元豐富。外設包含了常用的DMA、EPWM、CAN模塊、SCI模塊、SPI模塊、McBSP模塊、I2C總線、16通道的12位ADC模塊、GPIO模塊等。本設計使用SPI模塊對數(shù)據(jù)采集單元進行數(shù)據(jù)讀取，為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在SPI接口通過數(shù)字隔離器輸出給數(shù)據(jù)采集單元，如圖4所示；GPIO模塊提供一個I/O配置成CONVST，進行采樣轉(zhuǎn)換設置，同時提供6個管腳配置成CS信號，進行對6個AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀取的片選信號，GPIO口通過數(shù)字隔離后輸出，增強對主控芯片的GPIO口的保護；采用CAN口模塊對外通信，CAN接口具有抗干擾能力強的優(yōu)勢，采用數(shù)字隔離性CAN接口芯片，如圖5所示。

圖4 隔離SPI口設計

圖5 隔離CAN口

主控單元讀取數(shù)據(jù)采集單元的工作流程為，主控單元先發(fā)出CONVST信號，信號寬度設置在10ns～500ns間，數(shù)據(jù)采集單元收到該信號，開始進行數(shù)模采樣，完成轉(zhuǎn)換后，依次將6個CS管腳設置為低，通過SPI口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取完后將CS管腳設置為高電平，每給CONVST信號完成6個通道的模數(shù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換極度去，8個CONVST信號，完成48通道的數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計主要包括初始化設計、采樣數(shù)據(jù)讀取設計、數(shù)據(jù)處理設計及CAN口對外通訊軟件設計。其中初始化設計包括主控芯片系統(tǒng)初始化、GPIO初始化、CAN口初始化、SPI口初始化及AD7091R-8初始化。初始化流程如圖6所示。

圖6 初始化流程圖

完成初始化后，采用兩個定時器進行任務調(diào)用，定時器1完成數(shù)據(jù)采集及讀取任務，定時器2完成數(shù)據(jù)處理處，計算出數(shù)據(jù)采樣的結(jié)果。程序流程圖如圖7所示。CAN口作為對外的通訊接口，采用中斷方式響應外部命令，完成配電控制及配電采樣數(shù)上傳。

圖7 采樣及數(shù)據(jù)處理程序圖

4 系統(tǒng)測試

對所設計的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行測試。完成硬件平臺的搭建及軟件的編寫。用示波器觀測主控與數(shù)據(jù)采集單元之間的接口波形，如圖8所示。通道2為CONVST信號，通道1為數(shù)據(jù)單元反饋給主控單元的SDO采樣結(jié)果，通道3為CLK的時鐘信號。數(shù)據(jù)單元在收到CONVST信號后，完成采樣，主控單元通過SPI口讀取數(shù)據(jù)。

圖8 SPI接口波形

設計了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過測實現(xiàn)了對配電系統(tǒng)的多路輸出的電壓電流數(shù)字化，可在數(shù)字配電等系統(tǒng)中推廣應用。