基于FPGA的多通道高精度AD采样系统设计

张 言

(西安电子科技大学 陕西西安 710071)



基于FPGA的多通道高精度AD采样系统设计

张 言

(西安电子科技大学 陕西西安 710071)

在基于FPGA的永磁直线电机直接推力控制系统中，控制算法需要精确采样永磁直线电机的三相电压与电流，以提高控制系统的性能。针对这一问题，设计了一套基于FPGA的多通道高精度数据采集系统。详细介绍了系统中三相电压与电流的采集电路、输入滤波电路、采样芯片AD7606与FPGA的接口电路以及AD转换的软件设计。通过AD采样程序的仿真，验证了采样系统设计的正确性。通过实验检测，证明系统AD采样结果精度高、误差小，有助于解决直接推力控制算法中电压电流的采样问题，提高系统可靠性。

采样系统； AD7606； AD转换； FPGA

0 引言

在基于FPGA的永磁直线电机直接推力控制系统中，需要对电机的三相电流与三相电压进行实时的采样。FPGA具有出色的数据处理能力与运行速度，有处理复杂问题能力，适用于直线电机电流环[1-2]。但是，FPGA不具有AD采样的能力，所以需要设计外围的AD多通道数据采样电路[3-4]。AD7606是一款集成式8通道同步数据采集系统，采用+5 V单电源供电，可处理±5 V、±10 V真双极性输入信号，可实现16位无失码性能，在高噪声电源条件下也能保持这一特性。基于FPGA的多通道数据采样系统由霍尔传感器、滤波电路、AD采样芯片、FPGA四部分构成，FPGA的型号采用EP3C25Q240。

AD7606的模拟输入有±5 V和±10 V两种范围，所以采集的电压与电流经过滤波电路以后，能直接与AD7606的模拟输入端口相连。AD7606提供并行接口、高速串行接口和并行字节接口，可以与FPGA直接相连。本文采用FPGA与AD7606的相连，实现永磁直线电机三相电压与三相电流的数据同步采样功能，并对系统的AD转换模块的性能进行分析与验证。

1 系统硬件电路

1.1 多通道数据采样系统的整体结构

基于FPGA的多通道数据采样系统的整体结构如图1所示。系统的硬件电路按照其整体结构逐级搭建。永磁直线电机中的三相电流电压，经过霍尔传感器传入滤波电路。经滤波电路处理的模拟量信号，通过AD7606芯片转换为数字信号传入FPGA进行算法处理，实现对电机的有效控制。

图1 AD采样系统的整体结构

1.2 永磁直线电机电压与电流的采集

为了从永磁直线电机中，采集三相电压与三相电流，采集系统使用了霍尔电压传感器LEM_LV25P与霍尔电流传感器LA55P，设计电路如图2、图3所示。霍尔电流传感器按照霍尔效应原理制成，对安培定律加以应用，将直线电机的导线穿过电流霍尔的线圈，在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场。霍尔器件根据电流产生磁场的大小，来测量系统采样电流的大小。霍尔电压传感器与霍尔电流传感器的原理相似，且都由±12 V的电源供电。传感器采样所得的电流信号，经过采样电阻，RC滤波电路，进入输出端。此电压电流采集电路的输出为电压信号，直接接入AD采样滤波电路。

图2 霍尔电流采样

图3 霍尔电压采样

1.3 AD7606采集系统滤波电路

经过电流和电压霍尔传感器输出的模拟量信号一般为±10 V或者±5 V的电压信号。为了使数据采集系统具有通用性，并且提高其精确性和稳定性，在模拟电路的输入端需设计一个滤波隔离电路，如图4所示。

图4 采样电路

图4是AD7606采集滤波电路6路模拟输入通道中的一路。电路是一个由双运算放大器LM358构成的同向比例放大器。LM358由±12 V的电源供电，具有两个输入通道。R2与R4为输入端的分压电阻，使得R2与R4之间的电压为输入的二分之一。在由LM358构成的同向比例运算放大器中，合理调整输入分压电阻与反馈电阻阻值之间的比值关系，能确定电压信号的放大倍数。同向比例放大器起到的作用是输入与输出信号的隔离以及高频滤波。通过在反馈电阻R5上并联电容C1，滤除高于截止频率的高频信号，减少噪声干扰。

1.4 AD7606硬件电路

AD7606外围电路以及与FPGA的接口电路如图5所示。+5 V的电源经过去耦电容连接到AD7606的4个VCC电源引脚；V_DRIVE引脚接到FPGA的供电电源，使两者的接口电平兼容；从AD采集电路输出的模拟量信号接入AD7606的V1-V8引脚；转换输出的数字信号DB0-DB15接到FPGA的通用I/O口；AD7606的其他功能引脚，BUSY、nRD、nCS、RESET、CONVSTAB分别与FPGA的普通I/O口相连接[5-6]。

图5 AD7606外围电路

2 系统的软件设计

2.1 AD7606的工作原理

并行模式下基于AD7606的电压/电流数据采集系统进行AD转换时读取数据的时序如图6所示。首先给AD7606的RESET引脚一个高电平的脉冲信号，高电平脉冲将AD7606复位，然后给AD7606的CONVSTA、CONVSTB引脚一个低电平的脉冲信号，启动AD转换，AD7606的BUSY引脚变为高电平，开始AD转换的过程；当AD转换结束以后，AD7606的BUSY引脚自动变为低电平，对AD7606进行读操作，读取并行数据总线上的数据。AD7606可以所有8路模拟输入通道进行同步采样[7]。当两个CONVST引脚连接在一起的时候，所有通道同步采样。BUSY信号的下降沿用来使所有8个采样保持放大器返回跟踪模式。BUSY下降沿还表示，现在可以从并行总线DB[15：0]读取8个通道的数据。

图6 工作时序图

2.2 软件的基本结构

在Quartus II软件中，测试软件的基本框架由图7所示。顶层程序ad706test.v定义了FPGA与AD7606模块以及串口接受发送的信号输入输出，实例化3个子程序。第一个子程序是AD数据采集程序ad7606.v，根据AD7606的时序，采集8路模拟AD信号转化后的16 bit的数据。程序先发送CONVSTAB信号给AD7606启动AD转换，等待BUSY信号为低后，依次读取AD通道1到通道8的数据。第二个程序是AD数据的电压转换程序volt_cal.v。程序先把AD数据采集程序采集来的16 bit的数据，Bit[15]转换为正负符号，Bit[14：0]先通过公式转化为电压值，将十六进制的电压值转化为20位的BCD码。AD电压换算(1LSB)=5 V/32758=0.15 mV。第三个子程序是串口发送程序，定时通过uart发送8路的电压数据到PC，串口发送时钟通过50 MHZ的分频得到，发送波特率为9 600 bps。

图7 软件框架

3 程序仿真以及系统测试

3.1 程序仿真

在Quartus II软件中，进行AD转换程序的编写、调试与仿真。图8为AD转换程序的仿真时序图。

3.2 AD采集系统测量精度的测试

通过外加电压和高精度的电压表的测量比较，AD7606实际测量精度在-5 V～+5 V的电压输入范围内高达0.5 mV内。表1为8个通道对4个模拟电压的测试结果。第一列基准电压为电压表测量的数据，后面8列为AD7606的转换结果。如表1。

图8 仿真时序图

表1 实验数据

由实验可以得出，AD7606的测量误差在0.5 mV以下，用此进行多通道的AD采样精度高、误差小。

4 结束语

针对直线电机直接转矩控制系统中，三相电压与三相电流的采集问题，设计了AD7606多通道采样的硬件电路与AD转换程序，并且通过与电压表测出数据的比较，分析AD转换的性能。测试结果表示，系统AD采样结果精度高、误差小，有助于解决直接推力控制算法中电压电流的采样问题，提高系统可靠性。

[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统.第4版[M].北京：机械工业出版社, 2010：20-42.

[2] 贺秋实, 郝国法, 钱龙. 基于FPGA的高速AD转换[J]. 电子设计工程, 2012(8)：122-124.

[3] 黄莎莎. 基于FPGA的高速AD相位采集系统研究[D].西安：西安电子科技大学, 2013：4-11.

[4] 陶海军, 张一鸣, 曾志辉. 基于AD7606的多通道数据采集系统设计[J]. 工矿自动化, 2013(12)：110-113.

[5] 齐红涛, 苏涛. 基于FPGA的高速AD采样设计[J]. 航空兵器, 2010(1)：35-39.

[6] 苏锐. 基于FPGA的高速AD7903驱动设计与实现[J]. 电子制作, 2016(12)：8-9.

[7] 周东杰, 高传发, 王振华. 基于FPGA+AD7606的电力线监测系统的设计[J]. 微计算机信息, 2012(9)：210-211.

[责任编辑：李娟]

Design of Multi-channel High Precision AD Sampling System Based on FPGA

ZHANG Yan

(Xidian University, Xi'an 710071, China)

In the direct thrust control system of permanent magnet linear motor based on FPGA, the control algorithm needs to accurately sample the three-phase voltage and current of permanent magnet linear motor, in order to improve the performance of the control system. In view of this problem, a data collection system with multi-channel based on AD7606 is designed. Design of the three-phase voltage and current acquisition circuit, input filtering circuit, interface circuit between FPGA and AD7606, AD conversion program of the system are covered in the paper. The function of the program is verified by the simulation. Voltage test result shows that AD conversion result has high precision and small error, and it greatly improves the reliability of the thrust control system.

sampling system; AD7606; AD conversion; FPGA

2017-04-05

张 言(1993-),男,主要研究方向:控制系统

TP 274.2

A

1672-2434(2017)03-0020-04