AD采集模块论文
AD采集模块论文（精选7篇）
AD采集模块论文 第1篇
要实现STATCOM实时快速准确的补偿特性,必须建立在对电网无功功率、有功功率、谐波等电量参数的实时快速准确测量基础上。基于瞬时无功功率理论的无功功率检测算法,进行的多是瞬时值运算,响应速度快,适用于变化快、冲击大的无功功率和电压闪变的补偿。但瞬时无功功率理论的应用要求同步采样电网某时刻的三相电压电流,针对此情况,文中设计了由AD7606-6模数转换芯片与TMS320F2812组成的数据采集模块。
1 STATCOM结构模型及工作原理
图1所示为以电压源逆变器为核心的STATCOM模型。由以下几部分组成:电压/电流互感器,用于电网三相电压电流、STATCOM交流侧三相电流和电容直流电压检测;直流侧电容,其作用是为设备提供电压支撑;电压源逆变器(VSC),由大功率电力电子开关器件(GTO或IGBT)组成,运用脉宽调制技术(PWM)控制电力电子开关的通断,将电容器上的直流电压逆变成具有一定幅值和频率的交流电压;驱动电路,用于驱动大功率电力电子开关器件;耦合变压器和电抗器,不但可起到将大功率变流装置与电力系统耦合在一起的作用,还可将逆变器输出的电压中的高次谐波滤除,使输出的电压波形接近正弦波[2]。其余的无功计算模块、d-q变换模块、PI调节器模块、PWM输出模块均在主控芯片DSP上完成
式(1)为STATCOM的状态模型,L为连接电感,R,us为逆变器损耗等效电阻为系统电压,uc为逆变器输出电压。
STATCOM的工作过程是,首先通过检测三相电压和电流,运用瞬时无功功率理论计算电网的无功功率或无功电流,判断电网无功状态,得到所需补偿电流的无功分量,经坐标变换得到逆变器输出的电压参考值Vcα.ref和Vcβ.ref。在欠无功或者无功过剩时,系统调节PWM调制系数,输出的PWM信号通过驱动电路改变电压源逆变器电力电子开关的通断时间,达到改变逆变器输出电压幅值、相位、频率的目的,从而改变电网无功状态,使电网无功功率平衡。
所以,同步检测电网三相电压和电流、STATCOM交流侧三相电流和电容直流电压是系统的核心任务之一。文中将采用AD7606-6模数转换芯片来实现模拟量采集。
2 AD7606-6模数转换芯片
2.1 AD7606-6简介及特性
AD7606-6是ADI公司为简化下一代电力线监控系统设计,新推出16位6通道同步采样模数转换器(ADC),多通道集成方便实现电网的三相电流和电压测量。如图2所示,AD7606-6内置有模拟输入箝位保护、跟踪保持放大器、二阶抗混叠滤波器、16位逐次逼近型ADC、数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速并行和串行接口。采用单电源5 V供电,可处理±5 V和±10 V真双极性输入信号,同时6个通道均能以200 ksample·s-1的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可承受高达±16.5 V的电压。无论工作在何种采样频率,AD7606-6的模拟输入阻抗均为1 MΩ。其采用单电源工作方式,具有片内滤波和高输入阻抗,无需驱动运算放大器和外接双极性电源供电。抗混叠滤波器的3 dB截止频率为22 kHz;当采样速率为200 ksample·s-1时,其具有40 dB抗混叠抑制特性。封装采用64脚LQFP形式,具有体积小、重量轻、可工作于-40～+80 ℃内的恶劣环境、抗干扰性强的特点[3]。
2.2 AD7606-6引脚功能说明
AD7606-6采用64引脚LQFP形式,具有丰富的功能引脚[4],方便与DSP和微处理器连接。
AD7606-6主要的引脚和功能为:
(1)V1～V6。6个模拟信号输入端,输入信号范围可以是±5 V或±10 V,具体由引脚RANGE决定。
(2)V1GND～V6GND。模拟输入接地引脚,与各自输入引脚对应。
(3)OS[2∶0]。过采样模式引脚,用于选择过采样倍率。
(4)DB0-DB15。16位数据并行输出口。其中,DB7/DB8复用为串口输出引脚(DOUTA/DOUTB)。
(6)AGND。模拟地,需并联10 μF和100 μF的去耦电容;AVCC:模拟电压,范围可从4.5～5.5 V;DGND:数字电路部分参考地;DVCC:数字电压,通常为5 V,数字电压与模拟电压必须保持一致;VDD:电源正电压;VSS:电源负电压。
(8)CONVST A/CONVST B。转换开始输入A和B,用于启动模拟输入通道转换。要对6个转换通道进行同时采样,可将两引脚短接,并施加一个启动信号。
(9)BUSY。转换状态信号,该引脚从转换开始到结束保持高电平,转换结束BUSY变为低电平,数据被锁存,可供读取。
(10)RESET。芯片复位信号引脚。
(11)RANGE。模拟输入范围选择引脚,此引脚的极性决定了模拟输入通道的输入范围,当为高电平时,输入范围±10 V,低电平时,输入范围±5 V。
(12)REF SELECT。内外部基准电压选择输入。高电平时使用内部基准电压,低电平则使用外部基准电压。
(13)REFIN/REFOUT。基准电压输入/基准电压输出。
2.3 AD7606-6所有通道同步采样逻辑时序
AD7606-6可对所有模拟输入通道同时采样,时序逻辑如图3所示。要实现所有通道同步采样,只需将CONVST A和CONVST B引脚短接,使用一个CONVST信号便可启动所有模拟输入通道。AD7606-6内置有片内振荡器用于转换,每个ADC转换时间为tCONV。当施加CONVST上升沿时,BUSY变成高电平,在转换介绍后变为低电平。BUSY下降沿时,主控芯片可以通过给
3 硬件电路设计
3.1 电压电流互感器
传感器使用电压电流互感器,电压互感器型号为LCTV31CE,电流互感器为LCTA24D。LCTV31CE是一种电流型电压变换器,其输入电压最高可达1 000 V,额定电流2 mA,输出电压则取决于所用的运算放大器,最高输出电压为运放电源电压的1/2,系统电压互感器与运放连接电路如图4所示,Vout=I2R2。LCTA24D-50 A/62.5 mA电流互感器,其额定输入电流50 A,额定输出电路62.5 mA,额定采样电压取决于所用的预算放大器,最高输出电压为运放电源电压的1/2,电流互感器与运放连接电路如图5所示,Vout=I2R2。
3.2 信号调理
由AD7606-6的内部结构和芯片特性可知,与传统的模数转换芯片不同,其内部的信号调理电路中,加入了低噪声高输入阻抗的信号调理电路,而等效阻抗完全独立于采样频率且为固定值1 MΩ。同时,模拟输入端集成了具有40 dB抗混叠滤波器,无需添加额外的外部驱动和滤波电路。因为互感器输出的电流往往较小,且互感器直接接A/D会产生较大的相移,为使输入信号电压与AD7606-6模拟输入电压匹配,互感器输出信号经运算放大器OPA2132放大至5-6 V,调理电路如图4和图5所示。
3.3 AD7606-6与TMS320F2812接口设计
STATCOM系统采用TMS320F2812作为主控芯片控制两片AD7606-6。TMS320F2812是TI公司的一款基于Flash的工业级32位定点DSP,其内核是针对工业需求所设计,主频能达到150 MIPS,单周期32×32位MAC;拥有EVA、EVB事件管理器,具有强大是事件处理功能,如中断、定时、PWM输出等;再加上丰富的外设接口,如CAN、SCI等,使其成为当前工控领域主流的控制芯片[5,6]。
双片AD7606-6与TMS320F2812接口电路如图6所示。两片A/D的并行数据输出口直接连接到DSP的数据线XD[15∶0];DSP的GPIOA[15∶13]与OS[2∶0],控制过采样倍率;GPIOB8连接AD7606-6(1)的片选端
4 同步采样软件设计
采用软件部分主要实现主控芯片DSP对AD7606-6的控制,完成对电网电量参数的采集。为方便数据处理,在每个工频周期内采集128个数据点,用DSP自带的捕获单元完成电网周期的计算,假设电网周期为T,则每隔T/128时间给CONVST A&B一个触发脉冲,启动A/D采用并转换。触发脉冲由PWM7提供,每个转换周期结束,根据最新获得的周期值修改PWM输出的占空比,即可实现在不同的频率内都能采集到128个数据点。
当转换结束,BUSY信号变成低电平给DSP一个外部中断信号,DSP进入外部中断子程序,外部中断子程序实现对转换数据的读取。读取第一片A/D的数据,首先GPIOB8给AD7606-6(1)的片选端
5 实验结果
根据搭建的电路,给电压互感器接220 V交流电压,电流互感器接通以5 A交流电流,电压信号接入AD7606-6通道1,电流信号接入通道2。DSP根据程序同步对通道1和通道2采样,将采集到的数据量用CCS中的Graph功能拟合绘制电压电流波形,波形如图8和图9所示。由图可知,采集模块能够实时精确地采集交流输电线路的电压和电流。
6 结束语
应用针对智能电网新推出的模式转换芯片AD7606-6,设计了STATCOM的数据采集模块。实验测试表明,该系统能够同步实时快速精确的采集电网电压电流,为DSP准确计算出系统的无功状态,STATCOM快速准确的做出无功补偿策略进行无功补偿,提高电能质量提供了可靠的基础。此外,该数据采集系统还可以应用于有源滤波器APF和电能质量监控等智能电器装置。
参考文献
[1]罗承廉,纪勇,刘遵义.静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现[M].北京:中国电力出版社,2005.1-5.
[2]唐杰.配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)的理论与技术研究[D].长沙:湖南大学,2007.
[3]于克泳,孙建军.新一代16位8通道同步采样ADC-AD7606在智能电网中的应用[J].北京:电子工程专辑,2010(10):63-65.
[4]Analog Devices.AD7606/AD7606-6/AD7606-4 Date Sheet[M].USA:Analog Devices Conpration,2010.
[5]Texas Instruments Incoporated.TMS320F2810,TMS320F2811,TMS320F2812,TMS320C2810,TMS320C2811,TMS320C2812Digital Signal Processors Date Manual[R].USA Texas:TexasInstruments Incoporated,2004.
AD采集模块论文 第2篇
1 AD9480的性能指标
AD9480是一款8位单芯片模数转换器(ADC)，专门针对高速、低功耗、小尺寸和易用性进行了优化。采用250MSPS转换速率工作，在整个工作范围内都具有出色的线性度和动态性能，无需外部基准电压源或驱动器件。为了使系统成本和功耗达到最低，AD9480内置了一个基准电压源和采样保持电路。用户只需要提供一个+3.3 V电源和一个差分编码时钟。
数字输出为LVDS，可选择二进制补码或二进制输出格式。各输出数据位以并行方式与LVDS输出时钟一同提供，简化了数据采集。
2 AD9480的外围电路设计
2.1 模拟输入
AD9480的模拟输入端由一个差分缓冲电路构成。为了获得更好的动态特性，我们要求差分输入端必须阻抗匹配。相对于单端输入模式，差分输入模式更有利于提高AD的SNR、SINAD性能。该系统选用AD8351作为AD转换器的单端转差分的驱动芯片。
AD8351是一款新型的全差分运算放大器，应用于RF和IF的带宽可达到2.2GHZ。采用AD8351简化了ADC驱动，用户可以通过一个外部电阻调整其增益(最高26dB)，同时在AD8351中集成了输出共模调整电路，得以降低AD9480的驱动电平。
2.2 时钟输入
AD9480的最高采样频率为250MHZ，因此，该系统可以达到的最高输入时钟为100MHZ，在系统中MC100LVEL16及其外围电路组成了时钟的驱动电路。
MC100LVEL16及其外围电阻组成了一个差分接收器，把单端信号转为差分信号，以符合FPGA对时钟的要求。
2.3 数字输出
AD9480的数字输出模式为LVDS并兼容TTL、CMOS电平。当AD9480的42脚外接3.7 K电阻时，LVDS的输出有效。外部电阻器电流与片上电流成比例，外部电阻器电流可以改变LVDS的输出电流。在低电压差分信号接收器的输入端接入100差分电阻，在接收器上产生350 m V的震荡。在噪声环境下，LVDS接收器具有优良的开关特性。
3 ADC采集控制
在数据采集系统中，用CYCLONEIIIEP3C25来完成模拟数字转换器的控制及存储逻辑。具体框图如下图：
在FPGA内部实现的单元主要有PLL单元、ADC控制单元、双口RAM单元、FIFO单元。PLL单元主要是将频率较低的时钟信号，通过FPGA内部的锁相环(PLL)进行频率的变换，用来实现ADC的不同采样速率。ADC控制单元主要是控制整个系统的工作，包括PLL输出频率、双口RAM的读写、ADC转换的控制及数据的传递。双口RAM主要是将ADC转换后的数据进行保存，并传递给后续电路数据。FIFO作为备份系统，也是将数据进行保存然后给后续电路。
使用这种控制逻辑方式，可以使系统更加灵活，方便调试;接口电平适应性强，能够与多种逻辑进行接口;在不需要很大存储空间时可以将存储器继承到内部;更方便对数据进行预处理。
3.1 PLL单元
CYCLONEIII FPGA具有锁相环和全局时钟网络，提供完整的时钟管理网络。CYCLONEPLL具有时钟倍频和分频、相位偏移、可编程占空比和外部时钟输出功能，还可以进行系统级的时钟关系和偏移控制。PLL常用于同步内部器件时钟和外部时钟，使内部工作的是时钟频率比外部时钟更高，时钟延迟和时钟偏移最小，以减小或调整时钟的输出和建立时间。根据所需要的分频、倍频参数，对IP核进行编辑，设置复位和锁存信号以及其他设置，完成对PLL单元的设计。
3.2 ADC控制逻辑单元
ADC控制逻辑单元实现了对ADC转换的控制、对双口RAM的读写以及对PLL的控制。ADC控制逻辑单元包括下面几个方面：RAM地址控制、扫描范围控制、ADC采样时钟控制、ADC采样过程控制以及RAM的读写控制。为了方便后续程序的使用，在这里将存储单元设置为双口RAM。
3.3 双口R AM单元
在ADC采集控制系统中，双口RAM的作用是保存ADC转换后的数据，并在需要时将数据输出。为了使写入数据与写出数据相互独立，采用了双口RAM作为存储器。
在该系统中，仍然采用Altera公司提供的IP核例化双口RAM。
双口RAM单元的控制信号，主要包括读写使能信号和片选信号。
3.4 FIFO单元
FIFO单元的片选信号及读写控制信号都是在ADC控制单元中集成，但仍然需要对数据的宽度以及FIFO的写入数据进行计算。因此，FIFO单元的功能主要是将数据格式进行改变，并且记录写入数据的存储深度。所以，FIFO单元由数据格式转换和FIFO计数逻辑两个子程序组成。FIFO计数逻辑作为对写入FIFO数据的一个统计，以便在程序需要数据时能准确地读出数据。
4 结语
模数转换器AD9480的使用，使数据采集系统的设计简单，并且全差分运算放大器AD8351的使用，也使得整机元件大为减少，直接提高了采集系统的性能及可靠性。
摘要：介绍了AD9480转换器的性能指标和接口电路, 在CYCLONEIIIEP3C25中讨论了模拟数字转换器的控制及存储逻辑。
关键词：AD9480,全差分运算放大器,数据采集
参考文献
[1]俞一鸣等.Altera可编程逻辑器件的应用与设计[M].机械工业出版社, 2007.
AD采集模块论文 第3篇
1 ATmega16L单片机
ATmega16L是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间,ATmega16L的数据吞吐量高达1 MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。他具有16 kB的系统可编程FLASH,512 B的E2PROM,1 kB的片内SDRAM,可以对锁定位进行编程以实现对用户程序的加密。在外设方面,他具有一个可编程的UART和独立于片内振荡器的看门狗定时器等资源,并支持SPI接口,允许ATmega16L和其他外设或AVR单片机进行高速的同步数据传输[2]。
2 AD7705模/数转换器
AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/数转换器,适用于测量低频模拟信号。他带有增益可编程放大器,其丰富的校准功能可消除偏移和增益以及传感器的漂移误差,可通过软件编程分别测量两路通道的模拟信号。他的特点是低功耗、高精度、动态范围广、可自校准,非常适用于工业控制、科研应用[3]。其工作平台很容易搭建,只需接晶体振荡器、精密基准源和少量去藕电容即可连续进行A/D转换,在和单片机进行通讯时,由于其使用SPI接口,占用的引脚少,因此控制起来很方便。
电路连接图如图1所示。
除了和AVR单片机通讯的SPI接口外,AD7705的运作还需要一个晶振电路为其提供芯片工作的时钟信号,一个精密的基准电压和一个稳定的电源,具体的连接方法如图1所示,其中精密的基准源电压由TL431为其提供。
通过监控硬件DRDY引脚的状态以决定数据寄存器是否被更新,硬件DRDY引脚的输出状态是和通讯寄存器DRDY位同步的。当DRDY引脚变成低电平的时候,就可以对数据进行读取;而当DRDY引脚为高电平时,提示此时不要读取数据,以免在数据更新过程中读取到不可靠的数据。
AD7705含有2个模/数转换通道,但是其内部只有一套转换电路,在同一时间内,只能进行一个通道的转换。通过单片机发送过来的命令选择所要进行转换的通道,来采集不同通道的信号。
3 系统结构框图
系统的结构框图如图2所示,AD7705采集到的电压信号通过SPI接口和Atmega16L进行通讯传输数据。
SPI(Serial Peripheral Interface)即串行外围设备接口是Motorola公司推出的一种同步串行接口。SPI总线是一种4线同步总线,占用较少的单片机I/O资源。因为他的硬件功能很强,所以软件实现起来相当简单,缩短了指令的执行时间,相应地也就提高了程序运行的效率。在本系统中,ATmega16L作为主机对AD7705进行控制,使用的I/O口资源分别为MOSI,MOSI,SCK,undefined和AD7705通讯。
4 软件结构
整个软件是在WINAVR开发平台采用C语言编写,由于Atmega16L支持ISP在线可编程,所以开发过程相对来说比较简便。
在初始化AD7705芯片时,分别对两个通道的时钟寄存器和设置寄存器进行初始化,设置相应的参数。
AD7705初始化程序如下:
void InitAD7705 (void)
{
unsigned char i;
DDRB |= 0xB0; // Mosi,sck,ss
DDRB &= ～(1 << 6); //Miso/dout low
PORTB |= 1 << 7; //sck high
PORTB |= 1 << 5; //mosi/din high
PORTB &= ～ (1 << 4); //ss low
for (i=0;i<50;i++) //AD7705复位
{
PORTB &= ～(1 << 7);
PORTB |= 1 << 7;
}
spitransfer(0x20); //next is clock,选择通道1
spitransfer(0x06); //写时钟更新速率200 Hz
spitransfer(0x10); //next is setup
spitransfer(0x44); //自校准、无增益、单极性选择位、无缓冲
delayus(50);
spitransfer(0x21); //next is clock,选择通道2
spitransfer(0x06); //200 Hz
spitransfer(0x11); //next is setup
spitransfer(0x44);
delayus(50);
}
由于AD7705和AVR采用SPI接口通讯,所以在初始化中还必须对SPI寄存器进行相应的设置,SPI接口的初始化程序如下:
void initspi(void)
{
PORTB=0XFF;
DDRB=0XB7; //PB7(SCK):输出;PB6(MISO):输入,PB5(MOSI):
输出;PB4(/SS);输出
SPCR=(1<
SPSR = 0x01; //setup SPI,主机倍频
}
初始化工作完成之后,就可以进行数据采集,整个工作流程图如图3所示。
系统上电初始化,点亮LED指示灯,提示用户系统初始化已经完成,准备就绪,可以接收命令工作。接收到单片机的命令后,AD7705判断采集通道,对指定输入的微小电压信号进行采样并转换成数字量。接收到1个命令后进行8次采样,并将数据依次传给上位机。至此,1次测量正式结束,系统空循环等待下一次命令并操作。
在转换采集通道时,为了避免转换通道带来的采集数
据不稳定,最好是空采20次,这时候基本上除去了不稳定的数据,可采入有效数据。采集20次数据后,取平均值,避免随机误差。
5 结 语
提出一种基于Atmega16L的信号采集系统实现方案,采用的模/数转换元件是AD公司的AD7705模数转换器。并详细介绍了数据采集系统的功能及具体实现。本系统的高精度、低功耗和低成本适用于科学研究和工业控制测试的辅助检测手段,具有一定的实用价值。
参考文献
[1]黄任.AVR单片机与CPLD/FPGA综合应用入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[2]ATmega16L datasheet[EB/OL].http://www.Atmel.com,2004.
AD采集模块论文 第4篇
软件无线电在现代通信中占据了重要地位,数字下变频模块是采用软件无线电的数字接收机的重要组成部分[1]。数字下变频器(Digital Down Converter,DDC)主要是用软件来控制其载波频率、抽取和滤波的参数设置,以适应不同频段、制式的信号。DDC技术已成为数字接收机的重要组成部分。
AD6652是Analog Devices公司推出的新型ADC器件,具有精度高、转换速度快等特点,是当前用于中频数字处理的优选器件。笔者对DDC模块参数计算及配置进行了研究,实现了基于软件无线电平台的多通道数字接收机模块,并介绍了该模块及其软硬件的设计方法。
1 系统设计框架
接收机结构如图1所示,采用宽中频数字化采样结构,具有良好的波形适应性、信号带宽灵活性和可扩展性。图1中,通过控制电路对AD6652进行配置,完成下变频后将I,Q两路基带信号给DSP处理。本设计的关键在于采用AD6652将宽中频的信号中所需信号频点直接变频至基带,一方面将包含所有信道的宽带信号进行分离,将所需的窄带信号搬移至基带并提取出来;另一方面,对于分离后的窄带信号,采用抽取滤波的方法在保证频谱不混叠的情况下降低数据率。
2 AD6652工作原理
AD6652是Analog公司的高速AD&DDC器件,芯片由两部分组成:前端由两个独立的A/D通道组成,每个A/D通道的采样率高达65 MS/s,采样位数为12位。采用差分输入的结构支持电压峰-峰值1~2 V的输入信号。DDC为矩阵输入,输入灵活,减少交叉连接产生的寄生信号,同时可以根据应用的不同在抽取滤波后进行多相合并,增加带宽。后端有AGC功能,适合ADC的带宽输入信号经过DDC后的增益调整。
在AD6652的应用中,难点在于AD6652的设置,其编程模型如图2所示。图2中,LA[7:0]和LB[7:0]是link口输出,可直接与DSP相连;PA[7:0]与PA[15:8]是A口16位并口输出,PB[7:0]与PB[15:8]是B口16位并口输出;A[2:0]是AD6652的地址总线,D[7:0]是AD6652与微处理器的连接控制口,AD6652内部的全部控制字由这个接口写入。
每一次对输入端口控制寄存器组、处理信道控制寄存器组、输出端口控制寄存器组的访问,都需要先通过地址总线A[2:0]选择需要设置的外部地址寄存器,然后使用微处理口D[7:0]选择需要访问的寄存器组以及需要访问的寄存器地址写入控制寄存器的外部地址寄存器组,告诉控制寄存器的外部地址寄存器组接下来的传送控制字的目的地。
3 硬件设计
硬件设计主要是AD6652与控制器和DSP的接口设计,以及AD6652的硬件设计,如图3所示。控制器通过A(2:0)、D(7:0)并口来完成对AD6652的参数设置。中频信号通过差分输入给AD6652进行模数变换和下变频处理,处理后的I,Q两路基带信号通过串口输出给DSP处理。如果要使两个口能够正确通信,关键是要保持它们之间的同步,否则会造成数据丢失。设计时在DSP内产生数据的帧同步信号直接与AD6652的串口的帧同步信号SYNC相连,这样就能很好地解决它们之间的同步问题[2]。
AD6652具有并行数据和link口多种输出方式,可以与大多数标准的接口相连接。它具有极其强大的功能,可以将其应用于多载波、多模式数字接收机:GSM,EDGE,AMPS,PHS,UMTS,WCDMA,CDMA-ONE,TD-SCDMA,IS95,IS136,CDMA2000,IMT-2000,软件无线电,智能天线系统,I/Q解调系统,宽带数据应用,仪器测试设备等。
4 软件设计
4.1 数控振荡器(NCO)频率参数的设置
NCO的频率范围是:,其分辨率是。NCO频率由式(1)得出
式中:f是期望NCO输出的频率,CLK是AD6652的DDC部分的工作主时钟。由f=24 MHz,CLK=60 MHz,算得NCO频率控制字为01100110011001100110011001100110。
4.2 抽取滤波器组参数设置。
每路通道抽取滤波器组包括rCIC2滤波器组,CIC5滤波器组,RCF滤波器组。rCIC2滤波器在NCO之后,通过设置抽取和插值寄存器之间的比值来降低数据率。CIC滤波器旁瓣抑制的获得是通过多级CIC滤波器级联来完成。多级CIC滤波器级联可以获得旁瓣抑制的改善,但引入增益以抽取因子D幂次方的形式增大,为了不影响后续的处理(增益过大使得幅度值溢出),AD6652的rCIC2部分集成了rCIC2增益规模比例因子,将抽取后的数据流进行适合的衰减。CIC5继rCIC2之后进一步降低数据率,CIC5和rCIC2有着相同的工作原理。ADC采样后的数据经过这两部分的处理,可以得到需要的下变频,而且幅度值保持在合理的范围内,这样使后面的自动增益AGC部分可以旁路掉。现在有一点不足的地方是,信号没有经过高性能的滤波器,带宽没有控制在所需信号带宽内,需要从已经降速的信号中滤出感兴趣的信号。所以在AD6652内部集成了一个可用Matlab设计的RCF滤波器。
根据系统的设计要求,先设定ADC采样速率为60 MHz,经过抽取滤波器输出的数据率为187.5 kHz,输出带宽为25 kHz。参考AD6652使用手册可计算得:rCIC2的参数为插值率L=1、抽取率M=16、比例因子S=8,CIC5的参数为插值率L=1、抽取率M=20、比例因子S=17,RCF的wpass=0.14、wstop=0.21、astop取80 dB,通过Matlab计算得到73个滤波器系数,将上述得到的滤波器参数分别写入AD6652的内部寄存器。
4.3 AD6652初始化。
AD6652初始化流程图如图4所示[3]。
5 小结
介绍了可编程DDC芯片AD6652的编程方法以及关键参数的设计,完成了工作量最大而繁琐的部分。该模块可运用于2~30 MHz的多制式多频点的短波通信中,可以接收信号并输出直接变成数字基带,为通信中的后续数字信号处理做了必不可少的准备。该系统还存在缺陷,由于移动信道的复多径效应,从而使得接收信号出现衰落现象,可通过分集合并技术来解决。
参考文献
[1]李琳,张尔扬.软件无线电技术研究[J].电视技术,2000,24(5):47-48.
[2]Analog Devices Inc..AD6652reference[G].2004.
AD采集模块论文 第5篇
为了克服以上缺点,本设计以32位嵌入式微处理器Coldfire 5307为核心,并采用14位模数转换器AD7865构成高速数据采集模块,使低成本、高精度、多功能、便携式电量测试仪的实现成为可能。
1 系统模型
测试仪的硬件系统在以32位嵌入式微处理器Coldfire 5307(MCF5307)为核心的主系统板基础上,扩展设计信号调理模块和数据采集模块。硬件结构如图1所示:
在系统工作时,由于输入到A/D转换器的模拟信号有电压范围的限制,因此对输入的电压和电流信号,首先由信号调理模块进行一系列的范围调整,转换为适应数据采集模块的输入信号,然后数据采集模块采集信号并送入微处理器进行处理及显示。
2 AD7865的结构及工作设置
2.1 A/D转换器的技术指标
A/D转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。在选择A/D转换器时,除考虑这2项技术指标外,还应满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。
转换精度是用分辨率和转换误差描述:分辨率表示转换器对微小输入变化量的敏感程度,通常用转换器输出数字量的位数来表示。他说明A/D转换器对输入信号的分辨能力;转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。他表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。
转换时间是指A/D转换器从转换控制信号的到来开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。
常用的A/D转换器主要有双积分型、逐次比较型和并行比较型3种。3种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色,因而应用都比较广泛[2]。
2.2 AD7865的功能与结构
AD7865是美国Analog Device 公司生产的一种高速、低功耗、4通道同步采样的14位A/D转换器,采用+5 V供电。内部结构如图2所示:
芯片内部有1个 2.4 μs的逐次逼近的ADC、4个跟踪/保持放大器、内部2.5 V参考电压、片上时钟振荡器和一个高速并行接口。4个通道的输入信号是同步采样的,因而可以保存4路信号的相对相位信息。该芯片系列有AD7865-1,AD7865-2,AD7865-3三种型号,本设计采用的是AD7865-1。其允许±10 V和±5 V两种输入范围。
VIN1～VIN4为4个模拟信号的输入通道,每个通道有A和B两个引脚。对于AD7865-1,每个输入通道既可以设置为±5 V的输入范围,也可设置为±10 V的输入范围。若要设置成±5 V的输入范围,必须将管脚VINxA和VINxB相连接,输入电压VINxA同时加于二者之上;若要设置成±10 V的输入范围,必须将管脚VINxB与模拟地相连,输入电压施加在管脚VINxA上。管脚VINxA和VINxB输入是对称的并且可以互换,即在±10 V的输入范围时,如果为了PCB布线的方便,也可将VINxA接地,而输入电压接在管脚VInxB上[3]。在本设计中,将输入电压范围设置成±10 V。
2.3 AD7865的工作方式设置
2.3.1 通道选择
VIN1～VIN4的中任何几个组合都可以被选中进行转换,选中的通道按照升序进行转换。通道选择既可以用硬件通道选择输入管脚SL1～SL4(如果undefined接低电平),也可以通过对通道选择寄存器进行编程实现(如果undefined接高电平)。当undefined变为逻辑高电平时 ,若某硬件通道选择输入管脚接逻辑高电平(或通道选择寄存器某一位为逻辑1),则标志着相应的输入通道被选中。数据总线中的DB0～DB3(DB0代表通道1直到DB3代表通道4)是双向的,并且在undefined为高电平而undefined和undefined为低电平时作为通道选择寄存器的输入管脚。当undefined变为高电平时,DB0～DB3的逻辑状态被锁入该寄存器。图3为软件控制选择通道的时序图。
本设计出于灵活性的考虑,选择软件控制方式。
2.3.2 启动转换和读取结果
在选择转换通道之后,给undefined一个负脉冲,就可进行1个转换顺序,在undefined的上升沿各路模拟信号被同时采样,最少70 ns(图4中t2)后BUSY管脚输出变为高电平,标志转换正在进行,不能进行新的转换,当他的输出出现下降沿时标志着各通道转换结束[3]。转换结果既可在转换过程当中在每个通道转换完毕时被读取,也可在各通道都转换完毕时被依次读出,出于可靠性方面的考虑,本设计选择了后者,时序图如图4所示。
3 电量采集系统的硬件设计
3.1 Coldfire单片机介绍
Coldfire系列CPU是Freescale公司针对工业应用设计的嵌入式微处理器,指令集结构是可变长度的,可以是16位、32位或48位,其代码的压缩率要比传统的68K系列的32位或64位CPU高,提高了存储器的有效利用率,减小了总线宽度和对外存储器的需求,从而从整体上降低了系统的成本。MCF5307是包含了Coldfire微处理器V3版本内核的CPU,具有很高的性价比,主要有以下模块:
(1) 8 kB统一的Cache(即数据和指令在一起);
(2) 4 kB的片上SRAM与核心同频运行,无需等待时间;
(3) 整数/分数乘法单元,与DSP的指令相仿;
(4) 硬件除法单元;
(5) 系统调试接口;
(6) 同步DRAM/异步DRAM支持;
(7) 四通道DMA控制器;
(8) 两个通用定时器;
(9) 两个全双工串口;
(10) I2C总线;
(11) 并行I/O口;
(12) 系统集成模块SIM。
MCF5307在V2架构的基础上增强了许多功能,包括更深的指令流水线、分支加速和统一编址的 Cache,运算能力为75 MI/S@90 MHz,316 MIPS@220 MHz,其强大的功能足以满足高速数据处理的要求,并可以很容易地实现与8位、16位、32位等芯片的接口[5]。
3.2 高速高精度电量采集系统的硬件结构设计
由于在电量测量中,需要同时采集三相电压、电流共6路信号,因此使用2片AD7685-1,使其输出数据线分别接至MCF5307的D[13:0]和D[29:16],将3路电压信号接至1片AD7865的输入通道,3路电流信号接至另1片AD7865。图5为AD7865-1与MCF5307接口原理图。
三相电压和电流信号经过信号采样和调理电路后分别输入到AD7865的模拟输入通道,2个AD7865共同占用MCF5307的片选端nCS6,片选基地址由程序在初始化过程中完成,本设计中设置为0x66000000。
每个A/D转换都同步采样保持,4通道轮流转换,即每次启动A/D转换后,连续转换4个通道的采样值。2片AD7865的A/D转换启动信号nCovert完全相同,均由图中的逻辑模块2将CPU的时钟信号2500分频后得到。因此,A/D转换时自动循环启动的,而不需要程序控制。每次6路电压、电流信号被同时采样,然后进行6路采样值的顺序转换,此时CPU并没有读取转换结果。
Busy信号是AD7865转换过程的标志,不转换时,Busy为低电平,在转换的过程中Busy由低变高并保持高电平直至转换结束。因此通过读取Busy信号即可判断转换是否结束。读取Busy信号的译码逻辑由图中的逻辑模块1完成,相当于完成“地址=0x66000000”与“R/W=‘1’”两个条件的“与”。图中逻辑模块3完成的功能与模块1类似,即相当于“地址=0x66000000”和“R/W=‘0’”两个条件逻辑“与”,得到AD7865的写信号“Wr”有效;“地址=0x66000000”和“R/W=‘1’”两个条件逻辑“与”,得到AD7865的读信号“Rd”有效。
图5中的3个逻辑模块都是由1片CPLD芯片EPM3064ATC100-10完成的。
4 电量测试系统的软件设计
4.1 数据采集系统的程序流程图
为了方便频谱分析,对于工频50 Hz的采样信号,规定每周期采样512点,实际采样频率为25.6 kHz,并且每次连续采样4个周期,总采样点数为2 048点。本系统的A/D转换是由CPLD定时器控制并且连续循环启动的,程序只控制实现读取当前信号的A/D转换值。流程图如图6所示。
首先分配好数据缓冲区,然后先等待AD7865的Busy信号变为低电平,表示上一次的A/D转换已经结束,再等待Busy信号变为高电平时,表示该次A/D转换开始;再次待Busy信号变为低电平时,即可读取A/D转换的结果并存入缓冲区中。
4.2 编程示例
以每片AD7865采集3路信号为例,即第1片采集三相电压信号,第2片采集三相电流信号。用C语言编程如下,在SingleStep On Chip(ColdFire)下调试通过。
首先定义如下一些变量:
采用查询方式读取结果的程序如下:
这样,6个通道的转换结果就被存在指针AdcBufferP所指的单元中,进而可进行相应的处理。
5 结 语
实验表明,系统能实时、准确、稳定地进行电量数据采集,是一种简单易行、方便可靠的数据采集系统。
A/D转换器是实现数据采集的关键部分,而数据采集是很多测试仪器的基本要求,实现一个精度相对较高的数据采集系统有着广泛的应用背景。AD7865不仅功能强大,而且与控制器的接口方便,本设计选用的Coldfire 5307微处理器具有很强的数据处理能力,在采样结束后,可以高速、高精度地进行交流电压/电流有效值、直流电压/电流平均值、基波频率、同一相电压电流相位夹角、频谱中各谐波分量幅度、功率和阻抗等计算和处理。
摘要：为了提高电网和电力设备数据采集的效率和精度,设计一种高速高精度的数据采集系统。介绍32位微处理器Coldfire5307和高速4通道14位A/D转换器AD7865的性能特点,以Coldfire5307为核心,复杂可编程逻辑器件(CPLD)为逻辑控制芯片,采用AD7865实现多路信号的同步采样,给出系统的软硬件结构。实验测试结果表明,系统能稳定地工作,为参量分析提供准确的数据来源。
关键词：数据采集,高精度,Coldfire5307,AD7865
参考文献
[1]张隽,丁仁杰.一种基于DSP和AD7865数据采集卡的设计与实现[J].电测与仪表,2004,41(6):38-39.
[2]马义德,杜桂芳.微型计算机原理与应用[M].兰州:兰州大学出版社,2001.
[3]AD7865 Data Sheet.Analog Devices,2000.
[4]MCF5307 ColdFire Integrated Miccroprocessor User′s Man-ual[R].Freescale,2000.
[5]ColdFire Family Programmer′s Reference Manual[R].Freescale,2005.
AD采集模块论文 第6篇
1、AD73360简介
由于具有十六位的分辨率, 每通道同时采样, 并能确保转换之间相位滞后很小, 减小了相位误差。采用六线同步串行接口, 很容易和工业标准的DSP接口。当今流行的单片式DSP都支持六线工业标准同步串行接口, 因而AD73360与DSP连接组成的测控系统极其简洁高效。它不仅适合于大信号应用, 也适合于小信号应用。同时AD73360有内置的程控可变增益放大器, 对小信号应用尤其方便实用。AD73360具有六个同时采样的模拟量输入通道, 所以特别适合于电能计量的信息采集, 使设计工作大为简化。
具体性能如下:
a.内部具有6个独立通道的16位A/D转换器;
b.各放大器增益在0~38 d B分8档编程设置;
c.数字滤波器截止频率等于1/2采样频率;
d.输入采样频率:8k Hz、16 k Hz、32 k Hz、64k Hz可由软件独立设置;
e.具有良好的可扩展性, 最多可8片级联使用, 扩展测量48路独立的A/D转换通道;
f.片内基准电压源, 可编程选择1.2V或2.5V;
g.供电电压:单+2.7~+5.5 V;
h.信噪比高 (>88 d B) , 量化噪声小 (<-77d B) ;
i.抗干扰能力强、线性度好。
2 数据采集中电压和电流信号的获取
实时的三相电压和电流信号经过PT和CT的转换, 成为可处理的低电平信号, 需要经过预处理电路完成对信号的滤波, 滤除测量要求之外的高次谐波, 然后在信号采集电路中对信号进行多路同步采样 (如图1) 。
电压信号的获取使用SPT204电流型电压互感器, 电路设计如图2所示。输入电压经限流电阻RO, 使流过SPT204A电压互感器初级 (原边) 的额定电流为2m A, 次级 (副边) 会产生一个相同的电流。通过运算放大器的作用, 通过调节反馈电阻RZ的值在输出端得到所要求的电压输出。
3 采样保持
经过滤波的信号在送给A/D转换之前必须经过采样保持器, 将时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号。同时采样信号必须满足香农采样定理, 即若信号的最高频率为, 只要采样频率, 采样信号就能唯一复现原信号。本文采用LF398构成采样保持电路。ÁÂÃfÁÂÃf³2f
4 锁相倍频
为了保证采样的同步性, 本系统采用频率跟踪和倍频锁相技术。取一路电压信号经过过零比较器LM224输出跟踪电网频率的方波信号, 方波转换电路如图2所示。将该方波信号经锁相环进行128倍频后送入采样保持器, 以确保每周波内采样128点, 然后再送入A/D转换器进行模数转换, 最后利用DSP的高速数字信号处理能力进行分析计算。图2中所用的HCF40106为施密特触发器, 等效一个非门, 是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点:
第一, 输入信号从低电平上升的过程中, 电路状态转换时对应的输入电平, 与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同;第二, 在电路状态转换时, 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。
利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波, 而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
锁相环电路是由CMOS集成锁相环芯片CD4046和2片4位二进制加法计数器CD40161构成, 实际电路设计如图3所示。经图2得到的方波信号SIGIN作为频率跟踪的输入信号, 通过内部相位比较器与加法计数器CD40161的分频信号作相位比较, 加控制电压于内部压控振荡器VCO的输入端, 使得压控振荡器的输出信号频率f0为输入频率fl的128倍。所获得的输出信号就可以用来实现每周期128点的采样控制。
6 A/D转换
A/D转换器是模数转换电路中的核心器件。模数转换电路的精度也主要取决于A/D转换器的分辨率。该环节在整个系统中占有重要地位。设计中我们采用了AD73360作为A/D转换器件, 使设计工作大为简化。AD采样原理图如图4所示。
AD73360是可实现6路信号同时采样的16位的高速同步模数转换芯片。由于采用Σ-ΔA/D转换原理, 具有良好的内置抗混叠性能, 所以对模拟前端滤波器的要求不高, 用一阶RC低通滤波器就能满足要求。
7 结论
AD采集模块论文 第7篇
关键词：STM32,SD卡,数据存储
随着工业自动化的发展,控制设备在各领域得到了广泛的应用。在一个控制系统中,外界的传感器相当于一个系统的“鼻子”和“眼睛”,往往决定系统中下一步的动作,是一个系统的关键。现在的32位处理器基本都具有ADC模块,免去了使用8位单片机需要外搭ADC电路的过程,简化电路设计并提高了转换的快速性和准确性。现在加工制造业的迅速发展,对系统数据的实时性也提出了更高的要求,迫切需要一种简单方便的方式对大量数据进行存储。大型控制系统通常会采用485通讯、以太网的方式将数据直接传送到上位机,建立数据库,而对于一些小型控制设备,这会大大增加设备的成本,相比之下,利用单片机和存储介质就地存储就显得更有优势。
1 系统的整体分析
STM32F103VET6单片机是一款基于Cortex-M3内核的增强型处理器,工作频率可以达到72MHz,其内部具有3个12位的ADC采用通道,每个ADC共用了多达21个外部通道接口,可以实现单次或连续外部数据采样[1]。SD卡是目前最常用的大容量数据存储介质,支持2种操作模式:SDIO模式和SPI模式[2]。SPI模式通常可以采用MCU自带的SPI接口或者用普通的I/O口模拟SPI通讯,通讯速度相对较慢,而SDIO模式以其传输速度快,兼容性好等优点被广泛应用于安卓设备、相机等移动设备,支持SDIO卡、复合SDIO卡、SD存储卡和MMC卡,支持1位和4位SD模式[3]。STM32具有一个SDIO接口,能够对SD卡快速进行数据读写。
2 硬件电路设计
系统硬件部分主要有ADC采样调理电路和SD卡硬件连接电路组成。为了提高数据的精确度,需要给STM32提供了一个外部电压基准源。此外,外部传感器输入电压可能与ADC采样范围之间存在电压跨度不相等的情况,往往并不能直接输入到MCU的AD采样引脚,需要对信号进行调理,使传感器与ADC的组合达到最好的精度。结合以上两种考虑,采用TI公司的REF2030芯片为ADC采样和运放调理电路提供基准电压。REF2030是一款低漂移、低功率、双路输出的电压基准芯片,提供了一个3.0V可供ADC使用的基准电压VREF和一个1.5V可用于偏置输入双极性信号的高精度电压VBIAS。芯片使能引脚可以在不需要ADC采样时使芯片处于低功耗状态。根据运算放大器的工作原理,上述运放电路输入与输出端的关系为:
根据输入电压的范围改变R1、R2、RF、RG四个电阻值使Vout在0~3V范围内,使采样电压值更精准。通常为了方便电路参数调节,令R1=RG,R2=RF可得:
此外,STM32内部具有RTC功能,能够为控制系统提供时间。在对采集到的数据进行保存过程中,记录系统时间,能够更好地帮助技术人员分析数据。在系统断电后,外部纽扣电池可以通过VBAT引脚对RTC时钟继续供电。
3 软件设计
3.1 系统工作流程
为了方便采集到的数据能够直接在PC机上查看,需要对SD卡存储介质采用文件系统管理方式,我们采用常见的FAT32文件系统格式。目前FAT文件系统模块主要有:周立功公司的zlg/FS、美国Micrium公司的u C/FS、Source Forge.net网站提供的Embeded File System Library以及日本电子爱好者设计维护的FATFS文件系统模块[1]。FAT32文件系统以簇为最小分配单位,主要由引导区、文件分配表表、数据区三大部分组成,引导区保留了每簇对应的扇区数及引导参数,文件分配表保存各簇使用情况信息,本文设计时使用日本的FATFS文件管理模块。控制系统的工作流程如图2所示。要以FAT32文件系统格式进行文件创建及信息储存,必须将SD卡格式转换成FAT32文件系统格式,这就是SD卡的初始化。在确定SD卡通信正常后即开始初始化,其过程包括:读取原有FAT表、查找空间簇并确定起始簇号、将新的FAT表写回SD卡、读取目录项信息、将文件信息赋给文件信息结构体、将新的目录写回到SD卡,初始化完成后即可进行SD卡的读写操作。AD采样信号出发后向SD卡触发写命令,命令中包含写地址,写地址必须与SD卡物理地址相对应,SD卡接收到数据后验证地址,并进行CRC校验,发出响应命令。
3.2 程序编写
在SD卡初始化后,利用RTC时钟获得当前日期,创建一个以当前日期命名的文本格式文件,用结构指针fnew关联该文本文件,再次操作文件就是通过结构指针来完成。具体方法是在获取当前日期后将其转换为字符串类型并在字符串末尾加上“.text”,然后利用f_open()函数创建,在文件的首行,写入标题信息,包括采样时间、采样通道、通道名称、采样数据和采样触发模式等。然后关闭文本格式文件,完成了系统的初始化,等待ADC采样时刻的到来。
为了方便对多路通道数据进行记录,在程序中采用结构体方式对上述信息进行管理。
在AD触发信号到来时,记录上述信息。采样通道记录ADC的输入引脚名称,采样名称为该采样通道所对应的数据形式,如压力、温度等,采样数据为单精度类型,将其转换为字符串类型并保留小数点后五位再赋给相应指针,触发模式则表示该采样数据以何种形式采集,包括定时触发、外部按键触发等。为了使数据在文本格式中的排列整齐规范,利用sprintf函数将结构体各个指针所指向的字符串按照指定宽度存放到text File Buffer[]字符串数组中。
在每次写完SD卡后需要关闭文件待下次写时再重新打开。新写入的数据应当紧接上次文件的末尾再另起一行,利用f_lseek(&fnew,f_size(&fnew))函数可以得知当前文件的大小,获得指针偏移值,使再次写入的字符串接着文件的末尾,而不用再计算累计写入的字节总和。
3.3 转换为EXCEL
EXCEL是大家极为熟悉的一种办公软件,其强大的表格数据处理能力为我们日常的数据统计、整理、计算带来了极大的方便。EXCEL具有文本格式导入向导功能,可以对文本格式中行列排列整齐的数据导入到EXCEL中。具体过程如下:首先在菜单栏中点击打开,在下拉菜单文件类型中选择文本文件格式即可启动文本导入向导,在高级设置中选择全部文本,文件类型选择固定宽度。最后在数据预览中,左右拖动竖线对EX⁃CEL中的单元格网格进行调整并选定列数据类型,如图3所示。点击完成即可将即可发现文本格式中的数据已经成功的展现在EXCEL中。此时的文件格式仍然是文本文件,需要再另存为.xls文件,最后将表格中的列宽度调到合适大小,采用数据即完美展现在Excel中,如图4所示。
4 结语
SD卡作为目前一种大容量的数据存储设备,在嵌入式系统中应用越来越广泛。本文利用STM32实现了通过SDIO接口与SD卡进行数据传输,创建文本格式,并提出了数据的管理方式,便于实现文本格式文件到EXCEL的转换,方便数据管理,具有较高的实用价值。
参考文献
[1]刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013:124.
[2]徐建功,赵捷.基于STM32F103XX微处理器的Micro SD卡读写[J],现代电力电子技术,2010(20):26-28,32.
[3]黄哓曦,黄世震.基于ARM的SDIO驱动设计[J],计算机与数字工程,2010,38(1):159-163.
AD采集模块论文
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