基于FPGA的多通道高精度AD采樣系統(tǒng)設計

王冬華　許智勇

摘要：隨著我國科學技術的不斷發(fā)展進步，電機使用越來越頻繁，實現(xiàn)電機的高效轉(zhuǎn)換具有非常重要的現(xiàn)實意義。在基于FPGA的大背景下，研究人員研發(fā)了一款高精度多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文本通過了解該系統(tǒng)中的輸入濾波電路、三相電壓與電流的采集電路等情況，利用AD采樣程度的功能，來檢測采樣系統(tǒng)設計科學性和合理性。

關鍵詞：FPGA;系統(tǒng)設計;電機

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0154-01

1 系統(tǒng)硬件電路概述

1.1 多通道數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的特點

在基于FPGA的大背景下，多通道數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)有著固定的結(jié)構(gòu)特點。該系統(tǒng)的硬件電路有固定的程序發(fā)展模式。而永磁直接電機的運轉(zhuǎn)亦有固定的步驟流程，它利用霍爾傳感器傳感作用，將三相電流電壓傳送到濾波電路，濾波電路運用數(shù)據(jù)處理能力，將相關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬量信號，然后通過AD7606芯片的轉(zhuǎn)換功能，變成數(shù)字信號，最后傳送到FPGA，通過算法處理的方式來保證控制電機的運行。

1.2 基于FPGA下，采集電機的電流電壓

三相電流和三相電壓存在于永磁直線電機中，采集系統(tǒng)為了更好地采集電流電壓，可以利用霍爾電流傳感器LA55P和霍爾電壓傳感器LEM_LV25P的采集功能，研究人員在運用霍爾效應原理的基礎上，研發(fā)了霍爾電流傳感器，再根據(jù)安培定律。實現(xiàn)電流霍爾線圈能順利與直線電機導線相接觸，保證載流導體附近存在磁場，由于系統(tǒng)采樣電流情況與霍爾器件所存在的磁場情況成正相關關系。電流信號保存在傳感器采樣后，再經(jīng)過RC濾波電路和過采樣電阻，最后到達輸出端，電壓電流采集電路經(jīng)過處理，其所輸出的電壓信號會進入到AD采樣濾波電路中，以此完成整個流轉(zhuǎn)過程[1]。

2 系統(tǒng)設計概述

2.1 AD7606的運行情況

根據(jù)AD7606的工作情況，電流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在利用并行模式的基礎上，與AD進行轉(zhuǎn)換，采集系統(tǒng)能對相關數(shù)據(jù)進行讀取，其工作原理為先將一個高電平脈沖信號發(fā)送到在RESET引腳，利用高電平脈沖的作用，實現(xiàn)AD7606的復位，然后再發(fā)送一個低電平脈沖信號到CONVSTB和CONVSTA引腳，以此來促使AD轉(zhuǎn)換，將BUSY引腳轉(zhuǎn)化成高電平，在AD進行轉(zhuǎn)換時，AD轉(zhuǎn)換會發(fā)生變化，一旦AD轉(zhuǎn)換完成后，BUSY引腳會轉(zhuǎn)換成低電平，并且對AD7606開展讀處理，并行數(shù)據(jù)總線會形成的大量數(shù)據(jù)信息，而AD7606會對這些數(shù)據(jù)信息進行讀取。AD7606能夠同步采樣全部8路模擬輸入通道的信息。一旦兩個CONVST引腳交接起來時，全部的通過進入同步采樣狀態(tài)。BUSY信號下降沿會發(fā)生變化，促進多個采樣保持放大器客進行轉(zhuǎn)換，保證其回復到跟蹤模式。BUSY下降沿還能從并行總線DB進行數(shù)據(jù)讀取，將八個通道的信息進行讀取處理[2]。

2.2 軟件的特點

Quartus II軟件的架構(gòu)以ad706test.v作為頂層程序，它直接影響到AD7606 模塊、FPGA和串口的信號處理，將相關信號進行輸出輸入處理。有三個子程序存在于實例化，ad7606.v是用于AD數(shù)據(jù)采集的程序，它是第一子程序，按照AD7606的工作原理，先將八路模擬AD信號進行采集，然后將其轉(zhuǎn)化，變成16 BIT數(shù)據(jù)，利用程序?qū)ON-VSTAB信號進行轉(zhuǎn)換發(fā)送，將其傳送到AD7606，然后促進AD轉(zhuǎn)換，一旦BUSY信號轉(zhuǎn)換為低電平，再對AD通道進行逐級數(shù)據(jù)處理，對1至8的數(shù)據(jù)進行讀取。volt-cal.v主要是用于AD數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換的程序，volt-cal.v屬于第二子程序，AD數(shù)據(jù)采集程序所采集到的數(shù)據(jù)，會被volt-cal.v轉(zhuǎn)換成正負符號形式的數(shù)據(jù)，利用公式的作用將Bit[14：0]變換成電壓值，然后再將電壓值從16進制的形式轉(zhuǎn)換成BCD碼。串口發(fā)送程序是第三子程序，利用程序?qū)崿F(xiàn)定時通過uart，保證PC能接收到8路電壓數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試和程序仿真情況

3.1 程序仿真情況

利用Quartus II軟件的強大功能，可能實現(xiàn)將AD轉(zhuǎn)換程序進行仿真、調(diào)試和編寫。

3.2 AD采集系統(tǒng)測試情況

高精度的電壓表在AD采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)與外加電壓數(shù)據(jù)有所不同，依據(jù)AD7606實際測量精度情況，在負五伏到正五伏電壓輸入測量值0.5MV，測試八個通道影響四個模擬電壓的情況，電壓表測量的結(jié)果為基準電壓，其余的數(shù)據(jù)是AD7606的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，測試結(jié)果：基準電壓64mV，CH1-CH8測量值分別為63.7，64.2，64.0，63.7，63.7.63.6，64.5，63.8，基準電壓1542.6mV，CH1-CH8測量值分別為1542.9，1543.2，1543.4，1543.1，1543.1，1543.0，1543.8，1542.6，基準電壓3050mV，CH1-CH8測量值分別為2050.9，3050.3，3051.6，3050.6，3050.3，3050.9，3050.1，3050.0，基準電壓4528.7mV，CH1-CH8測量值分別為4529.2，4529.8，4530.6，4530.0，4529.7，4530.1，4530.4，4529.1。

由以上結(jié)果可知，AD7606的測量誤差可以控制在較小范圍內(nèi)，誤差值在0.5MV以下，因此，利用此方法可以保證多通道AD采樣的質(zhì)量，實現(xiàn)誤差小、精度高的效果。

4 結(jié)語

根據(jù)直線電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的運行情況，針對三相電流和三相電壓的特點，要充分發(fā)揮AD7606的作用，保證其采集三相電流和三相電壓的效果，利用其多通道采樣硬件電路的功能，實現(xiàn)與AD轉(zhuǎn)換程序的目的，通過比較電壓表所測量出來的情況，進步了解AD轉(zhuǎn)換的質(zhì)量和效果，由最后的測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)AD采樣達到如期理想效果，有效降低了誤差，提高了精度。有效地解決了電壓電流的采樣困難，積極發(fā)展了直接推力控制算法的功能，保證了整個系統(tǒng)的可靠性科學性。為解決電壓電流的采樣問題提供了新方向新方法。

參考文獻

[1] 李宇，劉崇慶，呂立鈞，譚洪舟.基于4通道時間交織的FPGA 高速采樣系統(tǒng)[J].電子技用，2018，44（01）：52-56.

[2] 張言.基于 FPGA 的多通道高精度AD采樣系統(tǒng)設計[J].常州信息職業(yè)技術學院學報，2017，16（03）：20-23.