多通道数据采集系统的设计

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 解佳鹏

本文设计了多通道数据采集系统，通过对采集系统的调理电路、A/D转换电路、主控电路及软件的设计，实现了对配电系统的电压及电流的数字化。

随着数字控制系统的发展，传统配电系统中的数据采集已不能满足现在对配电系统高测试性及数字化的需求。传统的配电系统完成了供电的分配控制，新型配电配电系统既要完成供电的数字控制，同时要完成对供电信息的数字化。

对供电信息的数字化，本文设计了多通道数据采集系统，具有48通道的数据采集能力，可以完成对一个配电柜供电信息的数字化。

1 系统设计

如图1所示，系统由主控单元、数据采集单元及传感器组组成。主控单元采用TMS320F28335数字信号控制器；数据采集单元采用AD7091R-8作为模数转换器件，数据采集单元由6个AD7091R-8组成，共48个模数换通道；传感器组主要实现将电压、电流的信号转换成小直流信号，采用LEM公司的电压霍尔及电流霍尔传感器组成。

图1 检测系统的组成

2 硬件设计

2.1 调理电路设计

调理电路主要是将传感器组输出的信号调理成A/D转换器输入需要的信号。本设计的传感器组输出的信号为0～5V的直流信号，调理电路采用电压跟随电路，如图2所示。LM324内部集成4路运放，可以用来搭建四路电压跟随电路，用来进行AD转换的阻抗匹配。

图2 调理电路设计

2.2 A/D转换电路设计

AD7091R-8模数转换器，是一款低功耗、8通道、采样速率高达1MSPS的12位逐次逼近型模数转换芯片，该芯片还内置2.5V的精密基准电压源、单级缓冲放大器、高速串行接口（SPI）。AD7091R-8系列具有多达8个带通道序列器的单端模拟输入，可以通过预先编程选择通道转换顺序。

AD7091R-8集成串行端口接口(SPI)，可在完成转换后读取数据，同时具有1 MSPS吞吐速率。转换过程和数据采集利用CONVST引脚控制。

AD7901R-8供电采用直流5V供电，6个AD7901R-8的高速串口并联，CONVST管脚并联，通过CS管脚进行片选。每个AD7901R-8的硬件设计如图3所示。

图3 A/D电路设计

2.3 主控电路设计

主控电路采用TMS320F28335为主控芯片，该芯片采用高性能静态CMOS技术，主频高达150MHz，采用1.9V/1.8V内核供电，3.3VI/O供电，具有高性能的32位CPU，支持单精度浮点运算，同时外设单元丰富。外设包含了常用的DMA、EPWM、CAN模块、SCI模块、SPI模块、McBSP模块、I2C总线、16通道的12位ADC模块、GPIO模块等。本设计使用SPI模块对数据采集单元进行数据读取，为了增强系统的抗干扰能力，在SPI接口通过数字隔离器输出给数据采集单元，如图4所示；GPIO模块提供一个I/O配置成CONVST，进行采样转换设置，同时提供6个管脚配置成CS信号，进行对6个AD转换的数据读取的片选信号，GPIO口通过数字隔离后输出，增强对主控芯片的GPIO口的保护；采用CAN口模块对外通信，CAN接口具有抗干扰能力强的优势，采用数字隔离性CAN接口芯片，如图5所示。

图4 隔离SPI口设计

图5 隔离CAN口

主控单元读取数据采集单元的工作流程为，主控单元先发出CONVST信号，信号宽度设置在10ns～500ns间，数据采集单元收到该信号，开始进行数模采样，完成转换后，依次将6个CS管脚设置为低，通过SPI口读取转换结果，读取完后将CS管脚设置为高电平，每给CONVST信号完成6个通道的模数数据的转换极度去，8个CONVST信号，完成48通道的数据采集。

3 软件设计

该系统的软件设计主要包括初始化设计、采样数据读取设计、数据处理设计及CAN口对外通讯软件设计。其中初始化设计包括主控芯片系统初始化、GPIO初始化、CAN口初始化、SPI口初始化及AD7091R-8初始化。初始化流程如图6所示。

图6 初始化流程图

完成初始化后，采用两个定时器进行任务调用，定时器1完成数据采集及读取任务，定时器2完成数据处理处，计算出数据采样的结果。程序流程图如图7所示。CAN口作为对外的通讯接口，采用中断方式响应外部命令，完成配电控制及配电采样数上传。

图7 采样及数据处理程序图

4 系统测试

对所设计的多通道数据采集系统进行测试。完成硬件平台的搭建及软件的编写。用示波器观测主控与数据采集单元之间的接口波形，如图8所示。通道2为CONVST信号，通道1为数据单元反馈给主控单元的SDO采样结果，通道3为CLK的时钟信号。数据单元在收到CONVST信号后，完成采样，主控单元通过SPI口读取数据。

图8 SPI接口波形

设计了多通道数据采集系统，经过测实现了对配电系统的多路输出的电压电流数字化，可在数字配电等系统中推广应用。