基于STM32及AD7606的16通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要：介紹了基于STM32及AD7606的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。主控芯片采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407IGT6，實(shí)現(xiàn)對AD采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算并通過以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。A7606為16位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用兩片AD7606，可以實(shí)現(xiàn)對16路通道的實(shí)時(shí)同步采樣。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。0 引言此處找書介紹STM32，該芯片主頻可達(dá)168MHz,具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，并且與前代相比增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(Floating Point Unit,FPU)，使其可以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的介紹AD76061 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由

2、傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器STM32、及通信模塊及上位機(jī)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)是為液態(tài)金屬電池性能測試設(shè)計(jì)，需要測量電池的充放電電壓、電流以及交流加熱系統(tǒng)的電壓、電流，并以此計(jì)算出整個(gè)液態(tài)金屬電池儲能系統(tǒng)的效率。因此兩片AD7606的16個(gè)通道分為兩組，每組8個(gè)通道，這兩組分別測量4路直流、交流的電壓和電流信號。AD7606通過并行接口與STM32連接，STM32讀取AD采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)芯片DP83848通過UDP協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示各通道采集信息、繪制波形以及保存數(shù)據(jù)等。圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 模

3、擬信號采集電路設(shè)計(jì)模擬信號的采集包含直流電壓、電流，交流電壓、電流四部分。直流信號的采集分別使用霍爾電壓傳感器HNV025A和霍爾電流傳感器HNC100B，兩種傳感器的電路原理圖類似，僅以霍爾電壓傳感器電路原理圖為例說明，如圖2-1所示。HNV025A為電流型霍爾電壓傳感器，可以提高信號的抗干擾能力，其輸入輸出電流比為10mA/25mA。因此在圖中被測電壓經(jīng)過電阻R1轉(zhuǎn)換為電流信號，傳感器輸出的電流信號經(jīng)過R2變?yōu)殡妷盒盘?。R3和C1組成一階低通濾波器進(jìn)行濾波。圖2-1 直流電壓信號采集原理圖交流電壓、電流信號的調(diào)理電路同樣類似，以交流電壓信號采集為例，其電路原理圖如圖2-2所示。交流電壓互感

4、器變比為2mA/2mA，運(yùn)放T1及電阻R3組成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，R2和C1是為了補(bǔ)償電壓互感器的相移，電容C2用來去耦和濾波。圖2-2 交流電壓信號采集原理圖2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊由兩片AD7606組成，AD7606與STM32之間的電路連接示意圖如圖2-3所示。圖2-3 SD7606與STM32連接示意圖（1）AD7606提供了三種接口選項(xiàng)【參考】：并行接口、高速串行接口和并行字節(jié)接口。其中并行接口具有最高的數(shù)據(jù)傳輸速度，并且與STM32的FSMC(Flexible Static Memory Controller, 可變靜態(tài)存儲控制器)兼容。因

5、此兩片AD7606與STM32通過并行接口方式連接。AD7606的數(shù)據(jù)線DB0DB15分別連接對應(yīng)的FSMC數(shù)據(jù)線，片選信號分別接到FSMC接口片選信號PG9_FSMC_NE2和PG12_FSMC_NE4上。（2）AD7606的BUSY引腳電平為高時(shí)表示AD正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變低表示轉(zhuǎn)換完成。將BUSY引腳接到STM32的外部中斷引腳并配置為下降沿觸發(fā)，這樣可以在AF轉(zhuǎn)換完成后及時(shí)讀取數(shù)據(jù)。（3）OS0.2為過采樣配置引腳，通過控制STM32相關(guān)GPIO的電平可以是AD7606工作在不同的過采樣狀態(tài)。（4）CONVST_A，CONVST_B為轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號，上升沿觸發(fā)。對于每一個(gè)AD7606來說，C

6、ONVST_A控制模擬通道14，CONVST_B控制模擬通道58。由于需要對所有通道同步采樣，因此將CONVST_A,CONVST_B引腳同時(shí)連接在一個(gè)觸發(fā)信號引腳上以實(shí)現(xiàn)同步采樣。（5）REFOUT引腳為外部基準(zhǔn)電壓輸入引腳。AD7606可以配置為使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓或外部基準(zhǔn)電壓。當(dāng)兩片AD7606同時(shí)工作時(shí)，使用外部基準(zhǔn)電壓可以保證所有輸入通道轉(zhuǎn)換精度的一致性。外部基準(zhǔn)電壓源選擇ADR421，ADR421為2.5V基準(zhǔn)電源，具有出色的噪聲性能、穩(wěn)定性和精度【參考】，可以滿足AD對基準(zhǔn)電壓源的精度要求。2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸，與傳統(tǒng)串行通訊相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸

7、速度，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問以及將多套系統(tǒng)共同接入網(wǎng)絡(luò)。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)是在Keil MDK開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，應(yīng)用程序主要包括STM32F4的初始化、AD7606采樣程序配置、LWIP協(xié)議棧的移植、數(shù)據(jù)處理等。初始化部分包括GPIO初始化、內(nèi)存管理初始化、定時(shí)器初始化以及各項(xiàng)計(jì)算系數(shù)初始化等；AD7606采樣程序配置主要包含F(xiàn)SMC配置、中斷配置、數(shù)據(jù)讀取、過采樣配置等；LWIP協(xié)議棧移植包括編寫DP83848驅(qū)動程序、修改LWIP源碼、實(shí)現(xiàn)UDP發(fā)送接收數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)處理部分包括根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算所需要的電壓、電流有效值、功率等等。程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，之后會在AD76

8、06的觸發(fā)引腳CONVST_A，CONVST_B上產(chǎn)生預(yù)設(shè)的固定頻率和脈寬的脈沖信號，脈沖信號的上升沿觸發(fā)AD進(jìn)行采集，此時(shí)AD7606的BUSY信號引腳為高，轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY變低，由此產(chǎn)生外部中斷，在中斷程序中讀取AD的采樣結(jié)果。有兩個(gè)緩沖區(qū)交替存儲AD的采樣結(jié)果，當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)存滿時(shí)再進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算，此時(shí)AD的采樣結(jié)果將保存在另外一個(gè)緩沖區(qū)中。雙緩沖區(qū)的機(jī)制保證了在計(jì)算過程中緩中區(qū)中的數(shù)據(jù)不會被AD實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)所覆蓋而導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。計(jì)算所得到的結(jié)果會定時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。上下位機(jī)之間通過UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在主函數(shù)中會循環(huán)檢測是否接收到上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，則根據(jù)既定的命令代碼執(zhí)行不行的操作。每一幀發(fā)送的數(shù)據(jù)通信格式如圖3-1所示：根據(jù)命令號的不同，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能有：修改定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間間隔、請求實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)、AD復(fù)位、傳感器校零、AD過采樣率設(shè)置等。4系統(tǒng)精度測試與分析為測試系統(tǒng)精度，選擇。作為參考標(biāo)準(zhǔn)。理想的霍爾傳感器在輸入為零時(shí)輸出電流也應(yīng)為零，不過實(shí)際的霍爾傳感器即使輸入為零時(shí)也會有很