一種智能模擬量采集板卡的設計

張姣姣，王 銘，劉 耀，朱 琳

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一種智能模擬量采集板卡的設計

張姣姣，王 銘，劉 耀，朱 琳

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116023）

為了采集機車0-10 V模擬量信號，開發了一種以STM32F10x單片機[1]為控制核心的智能模擬量采集板卡[2]。內部使用高精度標準參考源，充分使用D/AC的轉換范圍，提高信號轉換精度。智能板卡通過CAN總線與CPU板進行數據傳輸。板卡已在機車空調控制器中得到應用。

模擬量采集板卡；單片機；校準；CAN通信

0 引言

模擬量采集是機車控制器的一個重要功能，用于采集機車傳感器信號，用于機車控制[3]。為了擴展對輸入信號的適應性，減小電路中電器參數不一致引起溫漂導致采集精度降低，一般方法是對電路進行調整與補償，但是這樣一方面增加了調試的難度，另一方面很難從根本上解決這個問題。本文實現的智能模擬量采集板卡通過軟硬件設計，實現校準功能，動態矯正偏差。

本智能模擬量采集板的主要技術參數為：

8路采樣通過；

輸入信號為0-10 V；

可以實現自校正；

采樣分辨率為12位；

采樣頻率為50ksps；

支持CAN總線協議[4]。

1 智能模擬量采集板的硬件設計

本板卡為的3U插件版，通過背板F48連接器與CPU通信、得到電源板供電、確定板卡地址ADS，可擴展性強。板卡有3個主要單元電路組成，如圖1所示。

外部的電壓信號由F48連接器進入板卡，經過采樣調理電路，A/D轉換電路、經驅動隔離電路，進入CPU。CPU的片選信號、SPI時鐘信號、芯片使能信號等，經隔離電路輸出[5]。

（1）采樣調理電路

模擬信號進入后，經采樣電路，經ADG619模擬開關[6]后放大兩倍，經過低通濾波器之后進行A/D采樣。

ADG619模擬開關一方面用來實現消除零飄，另一方面用來實現自檢。

（2）板卡地址ADS采集電路

控制器中存在多種板卡，為了區分各種板卡，根據協議對板卡進行編碼，智能模擬量采集板上電之后，通過CPU的PC0-PC5端口讀取背板編碼，確定自己的ADS。在與CPU的通信過程中，將自己的ADS與CAN通信收到的ADS進行對比，相同則處理信息，不同的則不做處理。

圖1 硬件框圖

圖2 采集調理電路

圖3 ADS采集電路

（3）A/DC及SPI片選電路

MCP3201[7]是帶SPI串行接口的12位AD轉換器，片選信號由CPU的PE8-PE10經譯碼器提供。MCP3201在片選信號變低后的第一個上升沿開始采樣，在第二個時鐘的下降沿結束，然后輸出一個低電平空位。接下來的12個時鐘在下降沿時將以MSB的格式輸出轉換結果。當所有12個數據均發送完畢后，若片選信號仍為低，它將以首發LSB的格式輸出轉換結果。

圖4 A/DC及SPI片選電路

2 智能模擬量采集板卡軟件設計

板卡軟件是在KeilC51環境下用C語言編寫的[8]，板卡主函數主要實現初始化、通信信號采集、濾波、中斷服務函數，是整個系統的主流程。單片機在主函數中循環，當收到CAN中斷后執行中斷函數，完成相應功能。圖5為主函數流程圖。

模擬量采集及校正。將模擬開關ADG619的6引腳置低，則采集地信號VINGND，再將6引腳置高，則采集正常輸入信號VIN，然后將（VIN-VINGND）作為采集到的數據，這樣就可以有效地消除零飄。板卡在每次上電開始采集模擬量之前，都進行一次校準，排除電路參數因為零票等問題導致的誤差。

圖5 主函數流程圖

模擬量采集采用外部SPI的方式，STM32F10x的SPI接口允許與外部設備以全/半雙工、同步、串行方式通信。本文將其配置為全雙工、主模式、16位數據長度，片選軟件控制。數據在第二個上升沿采樣，高位先傳。根據MCP3201的特性，CPU收到的16位的數據長度中，數據格式應為圖所示，因此應將讀到的16位數據做左移一位處理。

CPU讀到采樣值之后使用軟件濾波[9,10]。采用移動窗口的方式，讀取十次采樣值，去掉最大值和最小值，然后求平均值。在剛上電的時刻，未讀取到十次采樣值的情況下，則直接使用當次采樣值。這個時刻非常短暫，可以忽略不計。

圖6 SPI時序

圖7 軟件濾波示意圖

實際的電壓值由下面公式得到（AD為軟件濾波之后的碼值）：

V = AD/4096*2.5/2*(40+4.02)/4.02

智能模擬量采集板卡與CPU板使用CAN通信。CAN通信采取中斷的方式實現，在中斷中實現CAN協議，以保證CAN通信的實時性。CAN中斷的軟件流程圖如圖。

圖8 CAN中斷軟件流程圖

3 測試結果

本模擬量采集板可以完成高速度、高精度的8通道12位模數轉換，能實現自檢和校準功能。另外 本板卡在指令處理上采用了成熟的CAN總線協議，增加了通信的穩定性。具體的測試結果如表1。

表1 測試結果

Tab.1 Test result

由測量結果可以看出，測量值的相對誤差多在5%以內，能夠滿足機車使用的要求。

4 結論

本文設計的智能模擬量采集板卡，可以應用于機車空調控制器等設備使用，能夠穩定采集0-10V的模擬電壓輸入，并通過CAN通信傳給CPU板。

[1] STM32開發指南-庫函數版本_V1.3[M].

[2] 丁月林. 基于STM32 的低功耗溫濕度采集器實現[J]. 軟件, 2015, 36(5): 84-88.

[3] 關穎, 黃飛. 內燃機車通信軟件研發平臺[J]. 軟件, 2018, 39(3): 119-122.

[4] 杜淑穎. 基于CAN總線的智能車聯平臺設計與研究[J]. 軟件, 2018, 39(7): 106-109.

[5] 焦華. 基礎編程的思考方法[J]. 軟件, 2018, 39(3): 57-62.

[6] ADG619數據手冊[M].

[7] MCP3201數據手冊[M].

[8] 趙文博。劉文濤. 單片機C51程序設計[M]。北京: 人民郵電出版社, 2005-10.

[9] 張震. 基于FPGA 的通用型FIR 數字濾波器的研究與設計[J]. 軟件, 2015, 36(6): 125-128.

[10] 任年新, 劉增力. 基于現代信號處理的譜分析方法研究[J]. 軟件, 2018, 39(3): 157-159.

Design of An Intelligent Analog Acquisition Card

ZHANG Jiao-jiao, WANG Ming, LIU Yao, ZHU Lin

(CRRC Dalian Institute co., LTD, Dalian 116023, China)

To collect 0-10 V DC analog input in vehicle, am intelligent analog acquisition card was designed based on STM32F10x. Using high precision standard reference voltage source and the full of D/AC scope to improve the precision of the card. The card communicate with CPU by CAN Bus and be used in air condition of vehicle.

Analog acquisition card; SCM; Calibration; CAN bus

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.027

張姣姣(1987-)，女，工程師，主要研究方向：軟件開發；王銘(1989-)，男，工程師，主要研究方向：機車整車通信及檢測；劉耀(1988-)，男，工程師，主要研究方向：硬件設計；朱琳(1988-)，男，工程師，主要研究方向：軟件開發。

張姣姣，王銘，劉耀，等. 一種智能模擬量采集板卡的設計[J]. 軟件，2018，39（12）：116-119