船舶智能IO設備的模數(shù)轉換設計

王德民，嚴云帆，方 程

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

船舶噸位的限制加上多功能的要求，使其電氣設備和系統(tǒng)的配套種類多、密集度高，抗干擾問題突出[1-2]。海上條件苛刻，要求船用電氣設備在安裝前必須完成高低溫、濕熱、鹽霧、搖擺、耐壓等項目的嚴格試驗[3-4]。相對于陸用設備來說，封閉狹小的船艙條件使船舶電氣設備的功耗和散熱等問題更加突出。

智能 I/O設備是船舶電站監(jiān)測系統(tǒng)中最前端的數(shù)據(jù)來源。I/O設備的模數(shù)轉換主要負責將連續(xù)的物理量通過離散采樣、量化編碼等步驟轉化為上位機能夠處理的數(shù)字信號，其性能直接決定后續(xù)電氣設備的工作效率[5]。目前，模數(shù)轉化模塊多采用AD7656芯片進行數(shù)據(jù)采集，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，模擬量輸入常采用隔離運算放大器[6-7]。然而，通過試驗發(fā)現(xiàn)：基于 AD7656芯片的模數(shù)轉換模塊功耗大、發(fā)熱嚴重，如果應用于船舶領域，可能因長時間運行以及船艙空間狹小、散熱不利等原因，導致芯片燒毀，嚴重影響后續(xù)電氣設備的正常工作。

為此，本文提出了一種以LPC2294和AD7895芯片為核心的船用智能IO設備模數(shù)轉換系統(tǒng)，并從硬件接口電路和軟件設計方法兩部分對該系統(tǒng)進行了詳細介紹。通過試驗分析指出，相較于傳統(tǒng)的模數(shù)轉化系統(tǒng)，本文提出的設計方法功耗低、采樣精度高、硬件電路更為簡單，更加適用于船艦空間狹小，高溫濕熱的環(huán)境特點。

1 硬件開發(fā)

1.1 系統(tǒng)結構

圖1為船舶智能 IO模數(shù)轉換模塊的整體設計方案，主要由采樣電路、模數(shù)轉換電路和CPU控制器構成。電壓、電流傳感器采樣得到的微弱模擬信號經(jīng)信號調理電路放大及相關處理后，由模數(shù)轉換電路轉化為數(shù)字信號，通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）傳送給CPU，并由CAN通訊接口上傳至上位機，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理。

圖1 船舶智能IO模數(shù)轉換模塊系統(tǒng)結構圖

1.2 采樣電路

模數(shù)轉換模塊的采樣電路如圖2所示，電壓和電流輸入采用相同的硬件接口，電流輸入時，開關 S閉合，電流信號經(jīng)過采樣電阻轉化為電壓信號；電壓輸入時，電壓傳感器直接采樣得到電壓信號，由分壓電阻R分壓后，進入信號調理電路。

圖2 采樣電路示意圖

信號調理電路采用Analog Devices公司的AD620芯片，為了滿足不同量程輸入的要求，將不同量程范圍的微弱電壓信號放大不同的倍數(shù)后達到后級電路輸入電壓范圍。由于 AD7895芯片的滿量程輸入電壓為±10 V，只需將不同量程中最大的輸入電壓調整至±10 V即可，放大倍數(shù)G和反饋電阻Rg的關系如式（1）所示。

1.3 模數(shù)轉換電路

模數(shù)轉換電路采用Analog Devices公司的AD7895芯片，AD7895芯片是一款高速的12位8腳封裝的A/D轉換芯片，最大功耗僅為20 mW，該芯片還具有一個高速采樣模式和特有的低功耗休眠模式，在數(shù)據(jù)轉化完成后就進入休眠模式，等到下一個轉化周期時才能被喚醒，從而大大降低整個電路的功耗，使電路大為簡化。

為了避免信號干擾，采用ADI公司推出的磁耦隔離ADUM1402芯片，該芯片將脈沖變壓器磁耦合技術做到了芯片級，由于采用了高速的iCOMS工藝，因此在功耗、體積、集成度和速度等各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦隔離[8]。

模數(shù)轉換的硬件電路如圖3所示，采樣電路輸出的模擬信號Vin經(jīng)過AD7895芯片處理后，轉化成數(shù)字信號，并通過ADUM1402芯片由SPI接口傳給CPU。

SPI總線是一種同步串行外設接口，該總線協(xié)議簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率高，且信號線較少，本系統(tǒng)只采用SPI接口的串行時鐘線（SCK）和主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO），并選定CPU的某一I/O口作為片選信號，使能采樣芯片。

圖3 模數(shù)轉換電路示意圖

2 軟件開發(fā)

進行數(shù)模轉換軟件編程時，必須先了解 AD7895芯片的工作時序，如圖4所示。A/D轉換的啟動主要由引腳控制，當該引腳出現(xiàn)下降沿時，啟動轉化，并進入保護模式，同時使得BUSY輸出高電平信號，表明正在轉化；當轉化結束時，BUSY變成低電平，并把轉化的數(shù)據(jù)存到AD7895的輸出寄存器中，讀操作包括16個時鐘周期，通過SDATA端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃PC2294，讀取完成后，需要經(jīng)過300 ns才能進入下一個采樣周期。

圖4 AD7895工作時序圖

根據(jù)AD7895的工作時序和LPC2294的控制模式得到模數(shù)轉化系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖5所示，CPU承擔了A/D轉換控制、數(shù)據(jù)緩存和CAN通訊等任務。

CPU啟動時進行系統(tǒng)初始化，包括定時器和CAN中斷使能。CPU每10 ms進入一次定時器中斷，定時器中斷主要用于處理A/D數(shù)據(jù)轉換。首先置低，啟動A/D轉換，至少延時40 ns后，置高；然后等待A/D模數(shù)轉換完成，即延時3.8 μs后，CPU向A/D芯片發(fā)送任意數(shù)據(jù)；最后將返回的12位采樣數(shù)據(jù)存放在變量DATA中。同時，當CPU接收到上位機的請求幀時，進入CAN中斷函數(shù)，變量DATA中的采樣數(shù)據(jù)通過CAN通訊傳給上位機，供后續(xù)設備進行分析和處理。

圖5 模數(shù)轉化系統(tǒng)的軟件流程框圖

3 試驗驗證

搭建如圖6所示的智能IO模數(shù)轉換測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用24 V電源供電，共有10路模擬量輸入接口，模擬信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生，A/D轉換后的測量結果最終通過CAN分析儀在上位機中顯示。

圖6 智能IO模數(shù)轉換測試系統(tǒng)

信號發(fā)生器分別產(chǎn)生±10 V、±5 V、0 V的模擬電壓信號，上位機的測試結果如表1所示，實際誤差小于0.5%，試驗表明，本文提出的模數(shù)轉換系統(tǒng)能夠精確測量模擬輸入，并轉化成計算機能夠識別的數(shù)字信號。

表1 智能IO模數(shù)轉換系統(tǒng)測試結果

為了進一步分析基于 AD7656和隔離運算放大器的模數(shù)轉換系統(tǒng)A以及本文提出的模數(shù)轉換系統(tǒng)B之間的性能差異，采用功率測試儀和紅外熱象儀分別對兩個系統(tǒng)的功耗和運行溫度進行測試。

如表2所示，系統(tǒng)A的功耗為9.6 W，系統(tǒng)B的功耗為5.76 W，僅為系統(tǒng)A功耗的60%。在開放常溫環(huán)境下，采用紅外熱象儀對系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的運行溫度進行測試，采用 AD7656和隔離運算放大器的模數(shù)轉換系統(tǒng) A，在常溫開放環(huán)境下的運行溫度最高達到70℃，反觀本文提出的模數(shù)轉換系統(tǒng) B最高在 60℃左右。

表2 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的功耗對比

4 結論

本文介紹了一種以LPC2294和AD7895芯片為核心的船用智能IO設備模數(shù)轉換系統(tǒng)，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。相較于基于 AD7656芯片的模數(shù)轉換系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)硬件電路更為簡單，功耗僅為原有功耗的 60%，正常運行時的溫度也遠小于原有系統(tǒng)。

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