多通道數據采集系統的設計

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 解佳鵬

本文設計了多通道數據采集系統，通過對采集系統的調理電路、A/D轉換電路、主控電路及軟件的設計，實現了對配電系統的電壓及電流的數字化。

隨著數字控制系統的發展，傳統配電系統中的數據采集已不能滿足現在對配電系統高測試性及數字化的需求。傳統的配電系統完成了供電的分配控制，新型配電配電系統既要完成供電的數字控制，同時要完成對供電信息的數字化。

對供電信息的數字化，本文設計了多通道數據采集系統，具有48通道的數據采集能力，可以完成對一個配電柜供電信息的數字化。

1 系統設計

如圖1所示，系統由主控單元、數據采集單元及傳感器組組成。主控單元采用TMS320F28335數字信號控制器；數據采集單元采用AD7091R-8作為模數轉換器件，數據采集單元由6個AD7091R-8組成，共48個模數換通道；傳感器組主要實現將電壓、電流的信號轉換成小直流信號，采用LEM公司的電壓霍爾及電流霍爾傳感器組成。

圖1 檢測系統的組成

2 硬件設計

2.1 調理電路設計

調理電路主要是將傳感器組輸出的信號調理成A/D轉換器輸入需要的信號。本設計的傳感器組輸出的信號為0～5V的直流信號，調理電路采用電壓跟隨電路，如圖2所示。LM324內部集成4路運放，可以用來搭建四路電壓跟隨電路，用來進行AD轉換的阻抗匹配。

圖2 調理電路設計

2.2 A/D轉換電路設計

AD7091R-8模數轉換器，是一款低功耗、8通道、采樣速率高達1MSPS的12位逐次逼近型模數轉換芯片，該芯片還內置2.5V的精密基準電壓源、單級緩沖放大器、高速串行接口（SPI）。AD7091R-8系列具有多達8個帶通道序列器的單端模擬輸入，可以通過預先編程選擇通道轉換順序。

AD7091R-8集成串行端口接口(SPI)，可在完成轉換后讀取數據，同時具有1 MSPS吞吐速率。轉換過程和數據采集利用CONVST引腳控制。

AD7901R-8供電采用直流5V供電，6個AD7901R-8的高速串口并聯，CONVST管腳并聯，通過CS管腳進行片選。每個AD7901R-8的硬件設計如圖3所示。

圖3 A/D電路設計

2.3 主控電路設計

主控電路采用TMS320F28335為主控芯片，該芯片采用高性能靜態CMOS技術，主頻高達150MHz，采用1.9V/1.8V內核供電，3.3VI/O供電，具有高性能的32位CPU，支持單精度浮點運算，同時外設單元豐富。外設包含了常用的DMA、EPWM、CAN模塊、SCI模塊、SPI模塊、McBSP模塊、I2C總線、16通道的12位ADC模塊、GPIO模塊等。本設計使用SPI模塊對數據采集單元進行數據讀取，為了增強系統的抗干擾能力，在SPI接口通過數字隔離器輸出給數據采集單元，如圖4所示；GPIO模塊提供一個I/O配置成CONVST，進行采樣轉換設置，同時提供6個管腳配置成CS信號，進行對6個AD轉換的數據讀取的片選信號，GPIO口通過數字隔離后輸出，增強對主控芯片的GPIO口的保護；采用CAN口模塊對外通信，CAN接口具有抗干擾能力強的優勢，采用數字隔離性CAN接口芯片，如圖5所示。

圖4 隔離SPI口設計

圖5 隔離CAN口

主控單元讀取數據采集單元的工作流程為，主控單元先發出CONVST信號，信號寬度設置在10ns～500ns間，數據采集單元收到該信號，開始進行數模采樣，完成轉換后，依次將6個CS管腳設置為低，通過SPI口讀取轉換結果，讀取完后將CS管腳設置為高電平，每給CONVST信號完成6個通道的模數數據的轉換極度去，8個CONVST信號，完成48通道的數據采集。

3 軟件設計

該系統的軟件設計主要包括初始化設計、采樣數據讀取設計、數據處理設計及CAN口對外通訊軟件設計。其中初始化設計包括主控芯片系統初始化、GPIO初始化、CAN口初始化、SPI口初始化及AD7091R-8初始化。初始化流程如圖6所示。

圖6 初始化流程圖

完成初始化后，采用兩個定時器進行任務調用，定時器1完成數據采集及讀取任務，定時器2完成數據處理處，計算出數據采樣的結果。程序流程圖如圖7所示。CAN口作為對外的通訊接口，采用中斷方式響應外部命令，完成配電控制及配電采樣數上傳。

圖7 采樣及數據處理程序圖

4 系統測試

對所設計的多通道數據采集系統進行測試。完成硬件平臺的搭建及軟件的編寫。用示波器觀測主控與數據采集單元之間的接口波形，如圖8所示。通道2為CONVST信號，通道1為數據單元反饋給主控單元的SDO采樣結果，通道3為CLK的時鐘信號。數據單元在收到CONVST信號后，完成采樣，主控單元通過SPI口讀取數據。

圖8 SPI接口波形

設計了多通道數據采集系統，經過測實現了對配電系統的多路輸出的電壓電流數字化，可在數字配電等系統中推廣應用。