孙元杰 周士贵 宋磊
摘 要：
针对DSP内部AD采样电路精度低等问题，设计了一种以AD7606高精度实时的模数转换器，进行采集交流信号，并介绍分析了AD7606得硬件电路和软件设计。最后通过实验对比了DSP TMS320F28335内部AD和AD7606这两种模数转换得精度，相对于DSP TMS320F28335内部AD，AD7606具有采样精度更高，误差小，能够高速采样，适用于永磁同步电机的数据得采集转换。
关键词：
AD7606;硬件电路;高速采样
中图分类号：
TP274.2 文献标识码：
A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.026
本文著录格式：孙元杰，周士贵，宋磊. 基于DSP的多通道数据采集系统的设计[J]. 软件，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
隨着永磁同步电机的广泛应用，各种控制算法控制理论的不断在永磁同步电机的控制中应用。然而现在主流的永磁电机的控制大部分是基于矢量控制的基础上进行各种算法的应用，在电机的矢量控制过程中需要采集三相交流信号和直流测的母线电压。信号采集的准确性对整个系统的控制尤为重要。只有从基础上提高准确性才能够让电机的控制算法体现出本有的优势，如果采集的信号不精准不实时反而对系统的稳定性起到了反作用。
ADC是数据采集的一重要的环节，DSP TMS320F28335内部AD转换速度慢误差大分辨率低不能够很好得满足要求，针对此问题本文采用了具有8通到且每一通道为16位的AD7606模数转换芯片[1]，此芯片转换速度快且分辨率高可实现性能优异的信噪比（SNR），满足测量交流小信号的性能指标。通过实验对比发现AD7606相对于DSP TMS320F28335内部AD转换模块具有更高得精度，更小的误差等，能够对永磁同步电机控制的性能和稳定性有很大的提升。
1 硬件电路的设计
基于dsp的多通道数据采集系统主要有四部分组成具体如图1，该系统的四部分分别为：信号转换模块、信号采集模块、DSP主处理器模块、电源模块。各个模块的功能如下：
（1）信号转换模块：该模块的主要作用是将电机测的三相交流电流信号经互感器转换为小信号。
（2）信号采集模块：该模块的主要作用是将信号处理之后的信号，进行采样模数转换。
（3）DSP主处理器模块：该模块是整个系统的控制单元，控制AD7606的转换启动等等。
（4）电源模块：该模块为整个系统进行供电，确保整个系统能够稳定的运行。
1.1 信号调理电路
由于三相交流测采用电流互感器进行采样，本文所采用的是变比为1000∶1且额定电流为10 A的电流互感器。由于电流互感器输出的信号中存在负值，不能够直接送给AD7606模数转换模块，因此选用了如图2所示的信号处理电路，首先需要将电流信号转换为对应的电压信号因此在互感器的输出侧接一电阻将电流信号转换为电压信号（10 V-10 V）。然后使用opa2350设计的一电压抬升反向差分放大电路将10～10 V的电压信号转换为0～3 V的电压信号。图中Vref为1.8v的电压信号，Vsh-U Vsh-V，为10～10 V的电压信号。
抬升的电压：1.8*R141/（R141+R121）=1.5 V。
放大倍数：（R101+R111）/R81=0.15。
1.2 AD转换芯片AD7606
本文所设计的系统采用的是具有16位同步采样的8通道AD7606作为模数转换器，数据转换的速度最高为200 kS/S[2]。该芯片相对于其他模数转换芯片片内含有多种功能的电路，例如具有片内的模拟输入箝位保护电路，无需自己设计保护电路;具有片内二阶抗混叠滤波器，无需进行外部滤波器的设计，同时由于内部含有输入阻抗高达11 MΩ高输入阻抗调理电路，因此又省略了驱动电路的设计，大大的简化了整体电路的设计。由于本文所采用的并行通信，虽然此通信方式所需的线路数较多，但是此种方式的传输速度快，能够实现数据的快速的采集。因此选择将AD7606的PAR/SER引脚设置为低电平，即选择了并行通信[2]。具体电路设计如图3所示。
1.3 电源电路
由于ad7606需要5 V供电，选用TI的tps7350。Tps7350是低功耗低压降的线性电源，输入5.33 V至10 V，5 V输出，500 mA输出，可提供快速瞬态响应、宽输入电压具有较宽的范围、低静态电流、低噪声等优点。具有过流过压保护使用此芯片无需复杂的外围电路就能够得到良好的输出电压。该芯片输出电压有很小的纹波，能为AD7606提供很稳定的工作电压。电路中的电容主要用于滤出电压信号中的噪声使输出的电压更加平滑稳定可靠电源电路如图4所示。
2 采样系统的软件实现
2.1 AD7606的时序分析
在进行数据采样时要确保AD7606先进行一次复位，因此需要在RESET引脚施加不少于50ns的高电平。由于本文所采用的是输入通到以两组的形式同步进行采样，因此需要独立的控制CONVSTA和CONVSTB两个引脚来进行采样，此采样方式只有在不过采样的情况下才可以。CONVSTA是启动第一组采样通道（DB1-4）的同步采样，CONVSTB是启动第二组采样通道（DB5-8）的同步采样[3]。当CONVSTA上升沿时，第一组同步采样的数据通道的采集增益器进入到工作状态，当CONVSTB上升沿时，第二组同步采样的数据通道的采集增益器进入到工作状态。当CONVSTA和CONVSTB都达到高电平时AD7606的模数转换工作开始。当CONVSTB达到高电平时，BUSY信号转变为高电平，并保持TCONV时间。TCONV时间的长短与过采样倍率有关，过采样的倍率越大，TCONV的时间越长，当8的通道都转换完成时BUSY信号又转换为低电平。具体时序图如图5。
2.2 AD传递函数
AD7606模数转换之后输出为二进制数的补码。所有的二进制码都是在最低有效位（LSB）的二分之一初进行的其中最低有效位的大小为FSR/65536[3]。AD7606的传递特性如图6所示。
本文选择0～5 V作为模拟数去的范围，从而可以得到LSB=5 V/32768=0.15 mV。DSP把从ADC7606采集的16位的数据，在内部进行转换转换为实际的电压值，电压值的计算公式如下：VIN=（5 V*CODE）/32768。
2.3 数据采集软件流程图
系统控制程序主要有初始化程序、AD7606初始化程序、Epwm中断程序、数据采集计算程序等构成。在数据采集之前需要将整个系统初始化，使系统准备进入工作模式，在初始化中主要包括DSP系统初始化AD7606的初始化，选择此芯片的模拟输入的范围，IO口的设置等等。由于采样速度和时序的要求因此数据的采集的计算处理都是在Epwm中断中进行的。如图7所示。
2.4 数据的稳定性分析测试
数据采集系统采集到的数据的稳定可靠是该系统的重要要求，为了验证该系统的稳定可靠采取了以下进行电流的采集。本文所设计的系统中的采样频率为100 k，在中断中连续采样1 ms即采样100个数据值。首先在第dsp中设置一个存放100数据的缓冲区，依次将采集的数据存入缓冲区，当缓冲区内的数据个数达到100时，下一个数据在进入时第一个数据就会被覆盖。当缓冲区内的数据达到100时，进行计算平均电流信号值。假设100个数据的平方值为A，当前采样的值的平方值为B，覆盖掉的值的平方值为C，则当前时刻的平方和为sum=A2+B2C2，对上式开根号既可以得到计算处理后的电压值。
3 实验结果与分析
为了验证所设计的AD7606数模转换电路的正确性和相对于DSP内部AD具有高精度，误差小实时性高等优点搭建了实验平台进行实验。实验主要分为两个实验进行测试一是验证AD7606具有精度高误差小的优点，二是验证AD7606具有较高的采集速度且不失真。
3.1 数据误差和精度分析
实验的主要目的是为了检测所设计的ad7606数模转换电路的误差并和DSP内部AD对比。实验主要设备有线性直流电源，台式数字万应表，DSP TMS320F28335主控板一套。可编程线性直流电源作为输入信号分别给AD7606和DSP内部AD，台式数字万应表对线性直流电源的输出电压进行测量，DSP TMS320F28335主控板将每采集100次的数据按照上述处理方法处理，然后与实际值进行对比算取误差然后分析。具体的数据采集结果如表1，从表中可以清晰的看到AD7606的测量误差均在0.45%以内，DSP内部AD测量值误差在1%以内，显然可以得到AD7606相比于DSP内部AD具有较高的精度误差小。
3.2 高速采集时的分析
电机控制系统中因需要采集交流信号，因此用信号发生器模拟出需要采集得交流信号分别通过AD7606和DSP内部AD进行采样转换成数字信号，然后通过一高精度DA模块转换成模拟信号通过一示波器进行观测。从图8和图9可以清晰的看出使用了AD7606的数模转换模块采集的数据较DSP内部AD具有明显的优势，数据失真度小，波动的范围小。
4 结语
本文针对dsp内部AD精度和稳定性达不到信号的采集要求，设计了外部AD7606数模转换模块并通过实验分别测试了两种AD的误差等信息，相对内部AD外部AD7606具有明显的优势，数据精度高，采集的信号失真小，易于实现等优点。对电机控制系统稳定性和控制的效果具有很大的提升。
参考文献
[1]史籍， 常越， 李海国. 基于FPGA的多通道数据采集系统的设计[J]. 电气自动化， 2016， 38（1）：
15-18.
[2]肖李欢， 黄元峰， 代文泽， 等. 基于AD7606的高精度数据采集系统的实现[J]. 电脑知识与技术， 2017， 13（20）：
210- 211+214.
[3]孟令进， 刘三军. 基于Nios II的AD7606控制器IP核设计[J]. 信息技术与信息化， 2020（2）：
54-57.
[4]高瑛， 谢战洪， 王大鹏. 两片ADS7863与TMS320F28335的接口设计[J]. 通信技术， 2011， 44（7）：
126-129.
[5]韩宾， 易志强， 江虹， 等. 一种高精度多通道实时数据采集系统设计[J]. 仪表技术与传感器， 2019（9）：
42-45.
[6]宋璐雯. 基于DSP平台的JPEG2000 EBCOT-Tier2算法實现及优化[J]. 软件， 2018， 39（5）：
139-143.
[7]黄涛. 基于小波的电能质量电压信号奇异性分析[J]. 软件， 2018， 39（11）：
105-109.
[8]符博博， 田英华， 郑娜娥. 阵列信号中信源数估计方法的研究[J]. 软件， 2015， 36（12）：
197-200.
