MAX1300在伺服功率驅動系統中的應用

于 洋，馮宴銘，曾 婷，陸小龍

（四川大學 制造學院，四川 成都 610025）

伺服功率驅動系統是液壓伺服控制器的重要組成部分，該部分的設計不僅要為伺服系統提供足夠的驅動能力，同時也要完成對電流反饋信號、電壓反饋信號以及門限電壓的實時采集、轉換與顯示。此外，為了保證整個系統在控制器工作過程中的良好表現，需要同時完成對兩路信號的采集和轉換。這對該系統中數據采集的速度、精度以及時序控制的準確度提出了較高的要求。

使用常見的8位、12位模數轉換芯片 （如 ADC0809、MAX197等）設計的系統簡單且成本較低，但無法滿足高精度系統的設計要求[1]。本文提出了一種基于C8051F120單片機為核心控制器件，使用16位A/D轉換器MAX1300的雙通道信號采集、處理方案，經過實驗測試和理論分析，能夠實現較高的采集精度和速度[2]。

1 硬件設計

該伺服功率驅動板中完成實時數據采集檢測系統選用C8051F120作為核心控制器進行設計[3]。系統硬件框圖如圖1所示，主要由單片機、A/D轉換、LED液晶顯示和報警電路等組成。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

本系統中選用22.118 MHz的外部晶振時鐘以保證電路的穩定可靠。為滿足系統中各設備的供電要求，采用5 V的輸入電源供電。上位機與采集系統的數據通信利用串口完成，通過MAX232完成電平轉換。液晶顯示采用LCD5110模塊完成，模擬量采集部分的A/D轉換使用MAX1300實現[4]。

硬件電路部分的設計中使用MAX1300內部4.096 V的電壓基準。為了提升系統性能，在設計電路時加入了獨立的模擬地和數字地、模擬電源和數字電源。同時，由于供電電源的高頻噪聲也會對ADC中的高速比較器的工作性能，在每一個模擬電源和數字電源上都使用一個0.1μF的陶瓷電容旁路到最近的地。CH0～CH7分別為采集模擬量的輸入通道。在每個通道前，加入了RC濾波電路。采集電路設計如圖2所示。

2 軟件設計

A/D采集部分的程序主要使用的開發軟件為Keil uVision2。程序主要包括初始化程序、配置輸入方式和輸入量程的字節、配置芯片的工作模式、寫入啟動信號0x80、等待8個時鐘、讀出AD轉換的數據位等部分。軟件流程圖如圖3所示。

圖2 AD采集電路設計Fig.2 Circuit diagram of the data acquisition

圖3 軟件流程圖Fig.3 Schematic diagram of the software test system

MAX1300有3種可供選擇的轉換模式，分別為外部時鐘模式、外部采集模式和內部時鐘模式。本文中選擇外部時鐘模式，在該模式下，SCLK在控制模擬信號采集的同時，也控制著模擬信號的轉換，便于精確的控制采集模擬信號的時間，并且這種模式可獲得最高的吞吐率。此外，MAX1300具有7種單端輸入范圍和3種差分輸入范圍，能夠滿足本系統采集正負電壓的需要。

依照圖4中模式控制字節的寫入方式完成MAX1300芯片的單極性或雙極性輸入范圍、單端或差分輸入通道配置、采集工作模式的配置。

圖4 模擬輸入配置和模式控制字節的時序Fig.4 Analog input configuration and mode control byte sequence

在Keil下進行編程并在線調試。在連接好電路之后，單片機啟動AD轉換程序并將采集的數據通過串口發送到PC機。驅動程序如下：

SPI_Write_Cmd （0x89）； //配置 CH0和 CH1為差分輸入方式

SPI_Write_Cmd（0x88）； //0x88為外部模式0

SPI_Write_Start（0x80）； //啟動轉換信號

MAX_DATA=SPI_Read（）； //讀取轉換數據

3 實驗結果及分析

在采集精度測試中，使用信號源輸入不同的電壓值，將A/D轉換后液晶顯示的電壓值與采樣電阻兩端的實際輸出電壓值進行比較，得到的實驗結果如表1所示。

實驗結果表明，該單片機設計的AD采集板具有較高的精度，但仍存在著一定的誤差。在高精度數據采集系統中，ADC的誤差在很大程度上影響著系統的精度[5]。因此需要對AD轉換器件MAX1300的各主要誤差源進行分析計算[6]。

表1 A/D轉換結果Tab.1 Test result of A/D conversion circuit

MAX1300 的差分非線性（DNL）為（-1LSB，+2LSB），其DNL誤差值存在偏移，也就是說ADC的轉換函數會發生變化，但是在以-1LSB為底限的情況下在理論上仍然可以保證不丟碼。

INL是DNL誤差的積分，在實際計算ADC的精度過程中，通常選用INL誤差。INL誤差可通過公式（1）得到，

MAX1300的INL誤差為±1LSB，聲明為無丟碼（16位精度），則它的分辨率誤差是0.001 526%。

MAX1300雙極性輸入的增益誤差為±0.3%FSR，意味著在其最大輸出時，會帶來8位 （197）的誤差，其增益誤差0.012 2%。一般情況下，在采用片內基準時將會產生更大的增益誤差，可以通過采用片外基準的方式減小增益誤差。

ENOB（有效位數）可由公式（2）計算得出，

假設系統允許0.1%的誤差，ADC允許0.075%的誤差。我們在設計中選擇的MAX1300，其具有（-1LSB，+2LSB）的DNL，INL誤差為±1LSB（0.001 526%），增益誤差 0.012 2%，0.01%的失調誤差，1 ppm/℃的溫漂系數，在50℃范圍內產生0.001%的誤差，共計0.027 4%的誤差。還有0.047 6%的誤差供基準電壓源使用，在這種情況下，有較多的選擇余地。可以采取校正失調誤差和增益誤差，并選擇低噪聲的電壓基準，以達到提高系統精度的目的。

4 結 論

本文主要介紹了使用高精度16位A/D轉換器MAX1300完成雙通道信號的采集處理系統設計的過程。給出了系統硬件及軟件的詳細設計，通過實驗測試和對A/D轉換芯片產生的誤差的進行量化分析，得出本系統具有高精度、較快的轉換速度、較低的CPU占用率等特點，能夠很好地滿足使用要求。

[1]許亞男，高清維，翟寄文，等.基于MAX197的高精度數據采集系統[J].電子技術，2009（6）:22-23.XU Ya-nan，GAO Qing-wei，ZHAI Ji-wen，et al.A high accuracy data acquisition system based on MAX197[J].Electronic Technology，2009（6）:22-23.

[2]張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機原理及應用[M].北京:國防工業出版社，2005.

[3]潘琢金，譯.C5081F02x單片機數據手冊[S].深圳：新華龍電子有限公司，2005.

[4]Maxim Intergrated Products.MAX1300/MAX1301 DataBook[R].2011.

[5]Walt Kester.Analog-Digital Conversion[M].2004.

[6]劉豐觀，楊虎.高速ADC系統動態性能指標評估方法的研究[J].國外電子測量技術，2012（12）:13-16.LIU Feng-guan，YANG Hu.Research on evalution for dynamic performance of high speed ADC systems[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012（12）:13-16.