基于LPC2210和AD7656芯片實(shí)現(xiàn)6通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

在電力系統(tǒng)三相信號(hào)處理應(yīng)用中，常需要同時(shí)對(duì)A、B、C三相電壓和電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。如三相功率、電能測(cè)量及諧波分析等。美國(guó)ADI公司的 AD7656是16位6通道同時(shí)采樣的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含有6個(gè)16位A／D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換精度高、速度快、功耗低、輸入模擬信號(hào)幅度大、信噪比高等特點(diǎn)。Phmps公司出品的LPC2210，是一款工業(yè)級(jí)的ARM控制器，處理速度快，性能穩(wěn)定，與AD7656共同組成的6通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在很大程度上提高系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。

1 AD7656的特點(diǎn)及工作原理

1．1 AD7656的特點(diǎn)

圖1為AD7656的內(nèi)部功能框圖。

其主要特性為：

◆6個(gè)16位獨(dú)立的ADC通道。

◆輸入模擬信號(hào)的范圍為±（10～15 V）。

◆最大轉(zhuǎn)換速率為250ksps。

◆低功耗，5 V供電時(shí)在250ksps下功耗為140 mW。

◆片上2．5 V參考電壓和參考緩沖器。

◆8／16位并行接口模式和串行接口模式。

1. 2 工作原理

AD7656是6通道16位逐次逼近型ADC，有2種接口模式：串行接口模式和高速的并行接口模式，并行接口模式又分為8位和16位傳送方式。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，3個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào) CONVSTA／B／C，用來(lái)控制每對(duì)或每4個(gè)或每6個(gè)ADC同時(shí)采樣。如果將3個(gè)CONVST引腳連接在一起，就可對(duì)6個(gè)ADC同時(shí)進(jìn)行采樣。在 CONVSTX的上升沿，被選擇的ADC對(duì)被置為保持模式，轉(zhuǎn)換開始。CONVSTX的上升沿過(guò)后，BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖奖砻鬓D(zhuǎn)換正在進(jìn)行，轉(zhuǎn)換時(shí)間是 3μs，BUSY信號(hào)返回低電平表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。在BUSY信號(hào)的下降沿，ADC回到跟蹤模式，數(shù)據(jù)可以通過(guò)并行或串行接口從輸出寄存器讀出。16位并行接口讀取數(shù)據(jù)時(shí)先將CS置低，每當(dāng)讀信號(hào)（RD）變低，就從16位總線上讀取1路數(shù)據(jù)，6路A／D數(shù)據(jù)則需要讀取6次，其內(nèi)部轉(zhuǎn)換16位并行接口模式時(shí)序如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖3為AD7656與LPC2210的接口設(shè)計(jì)，在三相交流電信號(hào)處理方面的應(yīng)用中，選用Philips公司的ARM控制器LPC2210，它具有功耗低、性能高、速度快等特點(diǎn)。LPC2210的PO．22與CONVSTX相連，用來(lái)啟動(dòng)6路A／D的同時(shí)轉(zhuǎn)換。PO．23與RESET信號(hào)相連，為了控制 AD7656復(fù)位。EINTl連接BUSY信號(hào)，AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)變低，向LPC2210申請(qǐng)中斷。LPC2210的片選信號(hào)CSl 和讀信號(hào)OE分別與A／D的片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD相連，用來(lái)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，其地址范圍為0x81000000H～Ox81FFFFFFH。將 LPC2210的16位數(shù)據(jù)總線和AD7656的16位數(shù)據(jù)總線相連接，由于LPC2210為3．3 V接口，而AD7656為5 V，所以串接100Ω電阻進(jìn)行電平匹配。另外LPC2210還涉及液晶、鍵盤和RS232接口電路，用于人機(jī)接口和計(jì)算結(jié)果上傳。

在AD7656把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，把模擬信號(hào)調(diào)整為適合AD7656模擬信號(hào)輸入要求的電平信號(hào)。AD7656 連接外圍電路時(shí)，在DVCC，AVCC，VDRIVE，REFIN/OUT和VSS引腳須加1組去耦電路，該去耦電路是由1個(gè)10μF和1個(gè)100 nF電容組成。去耦電容要盡量靠近器件，以達(dá)到更好的去耦效果。除了上述幾個(gè)接口外，AD7656其他關(guān)鍵引腳的連接是STBY接VDRIVE，選擇正常模式；RANGE接地表示選擇輸入范圍±10V；H／S SEL接地選擇硬件配置；SER／PAR接地，選擇并行接口；W／B接地表示16位并行輸出；WR／REFEN/DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。在具體電路板設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)字地和模擬地要分開，在靠近電源輸入電路的地方連接在一起；AD7656芯片下方不要有數(shù)字信號(hào)通過(guò)，這是為了減少干擾，提高測(cè)量精度。

3 軟件設(shè)計(jì)

接口設(shè)計(jì)應(yīng)用于多路數(shù)據(jù)采集，LPC2210數(shù)據(jù)讀取、處理的過(guò)程如圖4所示。對(duì)三相交流電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，要求每個(gè)周期采樣128點(diǎn)，即20 ms采樣128點(diǎn)，也就是每156．25μs采樣一次。用定時(shí)器0定時(shí)，定時(shí)器時(shí)間到，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，如果CONVSTA／B／C三個(gè)信號(hào)綁在一起，6 個(gè)通道的模擬信號(hào)同時(shí)開始轉(zhuǎn)換，3μs后6個(gè)通道的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換完，BUSY信號(hào)變低產(chǎn)生中斷，通知ARM讀取數(shù)據(jù)。LPC2210給片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD一個(gè)低電平開始讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，把6路數(shù)據(jù)讀完，退出中斷，等待定時(shí)器下一次定時(shí)到，啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，待128次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完之后，暫停定時(shí)計(jì)數(shù)，開始計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，再次啟動(dòng)定時(shí)，完成下一個(gè)周期的128次數(shù)據(jù)采集。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656，它能同時(shí)采集6路信號(hào)，而且與LPC2210接口電路簡(jiǎn)單，控制方便，可應(yīng)用于電力系統(tǒng)三相交流電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

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