高速16位AD7665在基于GPRS遠(yuǎn)程振動檢測中的應(yīng)用

孫利民，梁江濤，魏然，張鵬，葉鵬飛

（鄭州大學(xué)工程力學(xué)系，河南鄭州450001）

由于計(jì)算機(jī)的微型化、網(wǎng)絡(luò)化、性能價(jià)格比的上升和軟件功能的日益強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)幾乎可以出現(xiàn)在任何場合：實(shí)時控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)庫等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的振動數(shù)據(jù)采集主要用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化測試分析。振動測試儀器主要為以微機(jī)為核心智能儀器。數(shù)字化測試的前提是將傳感器從被測試設(shè)備測得的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度、速度將直接決定數(shù)字化測試分析的精度、速度。本文的目的即將一個AD轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)用于振動測試[1]。

AD7665內(nèi)置一個16位高速采樣ADC，擴(kuò)大了被測設(shè)備的振動頻率范圍。一個電阻器輸入標(biāo)量（允許多種輸入范圍），既而易于與多種不同的傳感器配套使用。一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘、糾錯電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口，提高了AD轉(zhuǎn)換外圍電路設(shè)計(jì)的靈活性。

該器件具有3種采樣模式：極高采樣速率模式（Warp模式）；快速模式（正常模式），適用于異步轉(zhuǎn)換速率應(yīng)用；低功耗模式（脈沖模式），適用于低功耗應(yīng)用，其功耗與吞吐量呈比例關(guān)系。3種采樣模式使得系統(tǒng)功耗降至最低。

1 基本原理

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。

對圖1的電路，在數(shù)據(jù)采集階段，它由啟動脈沖CNVST啟動后，DAC內(nèi)部電容陣列被用作采樣電容，并從IN的輸入端得到模擬信號。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，CNVST的輸入變?yōu)榈碗娖剑藭r轉(zhuǎn)換狀態(tài)被啟動。在第1個時鐘脈沖作用下，控制邏輯電路使內(nèi)部時序產(chǎn)生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將1 000……0，送入DAC。輸入電壓首先與DAC輸出電壓（REF/2）相比較，如IN≥VREF/2，比較器輸出為1，若IN＜REF/2，則為0。比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的Dn－1位。然后在第2個CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1，則此時V0=（3/4）VREF。于是V1再與（3/4）VREF相比較，如V1≥（3/4）VREF，則次高位Dn－2存1，否則Dn－2=0；如最高位為0，則V0=VREF/4，與V0比較，如V1≥VREF/4，則Dn－2位存1，否則存0……。以此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。在完成這個過程之后，控制邏輯將產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換代碼的輸出至并口（串口），并將BUSY線的輸出置為低電平[2－3]。

圖1 控制邏輯與標(biāo)準(zhǔn)電路Fig.1Control logic and standardcircuit

2 關(guān)鍵問題

在AD轉(zhuǎn)換中時序問題直接決定了AD轉(zhuǎn)換的成功與否，因此時序問題將是本文解決的第一個問題。另外由于本文采用的是雙極性的輸入，因此在AD7665的應(yīng)用中應(yīng)該注意輸入配置，以及編碼問題。

2.1 時序問題

圖2 AD轉(zhuǎn)換時序圖Fig.2Chart of AD conversion timing

CNVST信號是數(shù)字信號，要求有良好的邊緣特性。而SNR是一個臨界號要求有很小的抖動，可采用一個專門的振蕩器來產(chǎn)號，或者采用高頻率低抖動的時鐘來產(chǎn)生。

在Impulse模式中，可以自動開啟轉(zhuǎn)換。當(dāng)BUSY信號變?yōu)榈碗娖教柋３值碗娖綍r，AD7665控制數(shù)據(jù)采集階段，并自動啟動一個新的轉(zhuǎn)換。直保持低電平時，AD7665將自動保持轉(zhuǎn)換過程。值得注意的是，當(dāng)BUSY信號變?yōu)榈碗娖綍r，模擬信號被輸入。同樣，當(dāng)上電時，置為低電平以開啟轉(zhuǎn)換過程。在Impulse模式中，AD7665的轉(zhuǎn)換速度將比570 kSPS高，而這個特征在Warp和Normal模式中所沒有的。

2.2 輸入配置

AD7665為單（雙）極性輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際需要選擇其輸入范圍。AD7665輸入配置如表1所示。

表1 AD7665輸入配置Tab.1AD7665 input configuration

本文采用的輸入電壓范圍為±REF，即INA與REF相連。此時為三通道±REF范圍電壓的AD轉(zhuǎn)換，輸入阻抗為2.56 kΩ。

2.3 編碼問題

由于AD7665為雙極性輸入的AD轉(zhuǎn)換。在輸入正、負(fù)電壓時編碼方式有所差別。數(shù)字輸出碼與模擬輸入關(guān)系如表2所示。

AD7665自身可直接輸出標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼及二進(jìn)制補(bǔ)碼。因此可根據(jù)實(shí)際情況選擇其輸出方式。

2.4 GPRS模塊與服務(wù)器應(yīng)用程序

GPRS模塊采用Siemens公司生產(chǎn)的GPRS/GSM三頻無

表2 AD7665編碼表Tab.2AD7665 coding table

注：LSB－最低有效位：是轉(zhuǎn)換器可以表示的最小增量。FSR（Full－Scale Range）量程。線通訊模塊MC55i。MC55i集成了高性能GSM/GPRS基帶處理，完整的無線頻率電路包括功率放大器及天線接口，內(nèi)嵌便于連接Internet的可由AT指令驅(qū)動的TCP/IP協(xié)議棧，大大節(jié)省了連接到Internet的時間和花費(fèi)。

當(dāng)GPRS模塊要向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先用AT^SICS命令創(chuàng)建一個連接類型參數(shù)集，用來決定一個Internet的連接類型；然后以連接類型參數(shù)集為基礎(chǔ)，用AT^SISS命令創(chuàng)建一個服務(wù)類型參數(shù)集，用指定Internet服務(wù)的類型，也就是Socket，F(xiàn)TP，HTTP，或email服務(wù)，SMTP或PO的其中之一；一旦連接參數(shù)集和服務(wù)參數(shù)集被創(chuàng)建，就可以用AT^SISO打開一個Internet會話，然后等待一個URC串口數(shù)據(jù)的返回；會話完成后可以用AT^SISR命令進(jìn)行讀數(shù)據(jù)，和用AT^SISW命令進(jìn)行寫數(shù)據(jù)；最后用AT^SISC（以＜srvProfileId＞為參數(shù)）命令結(jié)束Internet會話[5]。

遠(yuǎn)程服務(wù)器在啟動服務(wù)端程序后，開始等待GPRS終端請求到達(dá)該端口，在接收到服務(wù)請求后，要激活一個新的控件（或線程）來處理這個GPRS終端請求。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進(jìn)程與GPRS終端的通信鏈路，此時即完成一次GPRS通信。

服務(wù)器應(yīng)用程序主要靠調(diào)用API函數(shù)Winsock來完成。其過程為：首先用Socket（）創(chuàng)建套接字，然后Bind（）本地IP和端口與套接字相連，用Listen（）設(shè)定監(jiān)聽連接數(shù)，開始用Accept（）等待客戶連接，連接成功返回接連序號，再用Recv（）、send（）根據(jù)上面得的序號進(jìn)行讀寫操作。讀寫完成后，用Close（）關(guān)閉連接，Closesocket（）刪除套接字，程序結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)為采用AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換完成對一個100 Hz的正弦信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示，首先由SVC－1正弦控制儀輸出一個正弦激勵信號，給功率放大器（PA1200），去推動振動臺（ES－05電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)）產(chǎn)生一個100 Hz的正弦振動。通過加速度傳感器把振動臺臺面的正弦振動信號傳到（2635型）電荷放大器，電荷放大器將加速度傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為前置放大器的低輸出阻抗，以便同后續(xù)儀器相匹配，同時放大從加速度傳感器輸出的微弱信號，使電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。然后通過AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集1024個振動數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊傳送至PC[6]。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.3Experimental conditions

AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換及GPRS模塊如圖4所示。該模塊功能為：把振動傳感器輸出的模擬信號（雙極性）轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號，以便PC進(jìn)行處理。該電路采用AD7665的并行輸出模式。GPRS模塊為MC55i模塊。

在此實(shí)驗(yàn)中，將INA與REF接+5 V，INB－IND輸入范圍為－5～+5 V，0～+5 V時輸出為0000…0000～0111…1111，即從0～32767，－5～0 V時輸出為1000…0000～1111…1111，即從32768～65535。AD7665完成一次轉(zhuǎn)換后，BUSY跳變?yōu)榈碗娖綍r將D[0:15]鎖存到74374，51發(fā)出信號啟動轉(zhuǎn)換的同時，將上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果從74374取走。

圖4 振動檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Fig.4Schematic diagram of Vibration test data acquisition system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)將從振動臺測試得到的1 024個振動數(shù)據(jù)在PC上進(jìn)行分析后，其結(jié)果如圖5所示。

圖5100 Hz正弦波實(shí)測波形截圖Fig.5100 Hz sine wave measurement

由圖5可看出，一些采樣點(diǎn)與實(shí)際存在偏差。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中的AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是在萬能板上的手工制作，其抗干擾能力本身就較差，而且由于數(shù)字線在芯片下方穿過，產(chǎn)生耦合噪聲。如果將本實(shí)驗(yàn)的器件印制在電路板中，則會提高其抗干擾能力，也就降低了測試過程中的誤差。

5 結(jié)論

通過本實(shí)驗(yàn)，可以看出AD7665應(yīng)用于振動測試，其速度、精度都能很好的滿足數(shù)字化振動測試。但在印制電路板過程中應(yīng)注意其抗干擾的設(shè)計(jì)：模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)分開在不同的區(qū)域；避免讓數(shù)字線在芯片下方穿過，以避免產(chǎn)生耦合噪聲；電源線要使用盡可能粗的線，以達(dá)到低阻抗并能較少短時脈沖對電源的干擾；電壓基準(zhǔn)的退耦裝置也是非常正要的，退耦電容應(yīng)該離ADC盡可能的近，并用短而粗的線連接，以減少寄生電感[7]。

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