船舶智能IO设备的模数转换设计

王德民，严云帆，方 程

（1.海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船舶吨位的限制加上多功能的要求，使其电气设备和系统的配套种类多、密集度高，抗干扰问题突出[1-2]。海上条件苛刻，要求船用电气设备在安装前必须完成高低温、湿热、盐雾、摇摆、耐压等项目的严格试验[3-4]。相对于陆用设备来说，封闭狭小的船舱条件使船舶电气设备的功耗和散热等问题更加突出。

智能 I/O设备是船舶电站监测系统中最前端的数据来源。I/O设备的模数转换主要负责将连续的物理量通过离散采样、量化编码等步骤转化为上位机能够处理的数字信号，其性能直接决定后续电气设备的工作效率[5]。目前，模数转化模块多采用AD7656芯片进行数据采集，为了提高系统的抗干扰能力，模拟量输入常采用隔离运算放大器[6-7]。然而，通过试验发现：基于 AD7656芯片的模数转换模块功耗大、发热严重，如果应用于船舶领域，可能因长时间运行以及船舱空间狭小、散热不利等原因，导致芯片烧毁，严重影响后续电气设备的正常工作。

为此，本文提出了一种以LPC2294和AD7895芯片为核心的船用智能IO设备模数转换系统，并从硬件接口电路和软件设计方法两部分对该系统进行了详细介绍。通过试验分析指出，相较于传统的模数转化系统，本文提出的设计方法功耗低、采样精度高、硬件电路更为简单，更加适用于船舰空间狭小，高温湿热的环境特点。

1 硬件开发

1.1 系统结构

图1为船舶智能 IO模数转换模块的整体设计方案，主要由采样电路、模数转换电路和CPU控制器构成。电压、电流传感器采样得到的微弱模拟信号经信号调理电路放大及相关处理后，由模数转换电路转化为数字信号，通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）传送给CPU，并由CAN通讯接口上传至上位机，对数据进行存储、分析和处理。

图1 船舶智能IO模数转换模块系统结构图

1.2 采样电路

模数转换模块的采样电路如图2所示，电压和电流输入采用相同的硬件接口，电流输入时，开关 S闭合，电流信号经过采样电阻转化为电压信号；电压输入时，电压传感器直接采样得到电压信号，由分压电阻R分压后，进入信号调理电路。

图2 采样电路示意图

信号调理电路采用Analog Devices公司的AD620芯片，为了满足不同量程输入的要求，将不同量程范围的微弱电压信号放大不同的倍数后达到后级电路输入电压范围。由于 AD7895芯片的满量程输入电压为±10 V，只需将不同量程中最大的输入电压调整至±10 V即可，放大倍数G和反馈电阻Rg的关系如式（1）所示。

1.3 模数转换电路

模数转换电路采用Analog Devices公司的AD7895芯片，AD7895芯片是一款高速的12位8脚封装的A/D转换芯片，最大功耗仅为20 mW，该芯片还具有一个高速采样模式和特有的低功耗休眠模式，在数据转化完成后就进入休眠模式，等到下一个转化周期时才能被唤醒，从而大大降低整个电路的功耗，使电路大为简化。

为了避免信号干扰，采用ADI公司推出的磁耦隔离ADUM1402芯片，该芯片将脉冲变压器磁耦合技术做到了芯片级，由于采用了高速的iCOMS工艺，因此在功耗、体积、集成度和速度等各方面都优于传统的光耦隔离[8]。

模数转换的硬件电路如图3所示，采样电路输出的模拟信号Vin经过AD7895芯片处理后，转化成数字信号，并通过ADUM1402芯片由SPI接口传给CPU。

SPI总线是一种同步串行外设接口，该总线协议简单、数据传输速率高，且信号线较少，本系统只采用SPI接口的串行时钟线（SCK）和主机输入/从机输出数据线（MISO），并选定CPU的某一I/O口作为片选信号，使能采样芯片。

图3 模数转换电路示意图

2 软件开发

进行数模转换软件编程时，必须先了解 AD7895芯片的工作时序，如图4所示。A/D转换的启动主要由引脚控制，当该引脚出现下降沿时，启动转化，并进入保护模式，同时使得BUSY输出高电平信号，表明正在转化；当转化结束时，BUSY变成低电平，并把转化的数据存到AD7895的输出寄存器中，读操作包括16个时钟周期，通过SDATA端口将数据传输到LPC2294，读取完成后，需要经过300 ns才能进入下一个采样周期。

图4 AD7895工作时序图

根据AD7895的工作时序和LPC2294的控制模式得到模数转化系统的软件流程框图如图5所示，CPU承担了A/D转换控制、数据缓存和CAN通讯等任务。

CPU启动时进行系统初始化，包括定时器和CAN中断使能。CPU每10 ms进入一次定时器中断，定时器中断主要用于处理A/D数据转换。首先置低，启动A/D转换，至少延时40 ns后，置高；然后等待A/D模数转换完成，即延时3.8 μs后，CPU向A/D芯片发送任意数据；最后将返回的12位采样数据存放在变量DATA中。同时，当CPU接收到上位机的请求帧时，进入CAN中断函数，变量DATA中的采样数据通过CAN通讯传给上位机，供后续设备进行分析和处理。

图5 模数转化系统的软件流程框图

3 试验验证

搭建如图6所示的智能IO模数转换测试系统，该系统采用24 V电源供电，共有10路模拟量输入接口，模拟信号由信号发生器产生，A/D转换后的测量结果最终通过CAN分析仪在上位机中显示。

图6 智能IO模数转换测试系统

信号发生器分别产生±10 V、±5 V、0 V的模拟电压信号，上位机的测试结果如表1所示，实际误差小于0.5%，试验表明，本文提出的模数转换系统能够精确测量模拟输入，并转化成计算机能够识别的数字信号。

表1 智能IO模数转换系统测试结果

为了进一步分析基于 AD7656和隔离运算放大器的模数转换系统A以及本文提出的模数转换系统B之间的性能差异，采用功率测试仪和红外热象仪分别对两个系统的功耗和运行温度进行测试。

如表2所示，系统A的功耗为9.6 W，系统B的功耗为5.76 W，仅为系统A功耗的60%。在开放常温环境下，采用红外热象仪对系统A和系统B的运行温度进行测试，采用 AD7656和隔离运算放大器的模数转换系统 A，在常温开放环境下的运行温度最高达到70℃，反观本文提出的模数转换系统 B最高在 60℃左右。

表2 系统A和系统B的功耗对比

4 结论

本文介绍了一种以LPC2294和AD7895芯片为核心的船用智能IO设备模数转换系统，并通过试验验证了该系统的可行性。相较于基于 AD7656芯片的模数转换系统，本文提出的系统硬件电路更为简单，功耗仅为原有功耗的 60%，正常运行时的温度也远小于原有系统。

[1] 赵跃平, 王良秀.船舶电气的发展与应用[J].上海造船, 2008(4)： 56-58.

[2] 生建友.某舰载电子设备的造型与结构设计[J].舰船电子工程, 2010(4)： 181-184.

[3] 王鹤荀.船舶电缆绝缘老化规律及快速检测方法研究[D].辽宁大连： 大连海事大学, 2014.

[4] 李汉明.IEC/TC18(船舶电气设备)环境条件综述[J].环境条件与试验, 1986(1)： 10-16.

[5] 姜世玲, 梁荣, 赵勇.基于 PROFIBUS-DP的智能远程IO通信设备的设计和实现[J].工业控制计算机, 2014(5)： 47-48.

[6] 朱维钧, 周有庆, 王优优.AD7656及其在电力系统测控中的应用[J].电工材料, 2007(2)： 47-50.

[7] 徐园, 靳根, 王希涛, 等.ARM与AD7656-1的多通道数据采集系统设计[J].核电子学与探测技术,2012(8)： 914-917.

[8] 季建平.ADI推出ADuM4135隔离式IGBT栅极驱动器[J].半导体信息, 2015(3)： 25-26.