基于ADS8364的智能測磁儀設(shè)計

引 言

　　目前現(xiàn)有的測磁儀，采樣使用的A／D大多為10位A／D，這使得其采樣精度低，測量誤差大，而且抗干擾能力差。CPU大都以單片機為主，供電電源為5 V，控制器功耗比較大；主頻低使得指令執(zhí)行周期長，計算速度慢，在一個工頻周期內(nèi)的采樣點數(shù)少。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，由于其傳感器、放大器及隔離器件本身的技術(shù)原因，性能相對較差，容易受到干擾。而且現(xiàn)有測磁儀的功能大都比較簡單，通常以單通道為主，外加一個霍爾傳感器，一般只能測量試品外壁某一點的磁感應(yīng)強度，對于鐵芯內(nèi)部等傳感器無法到達的部位不能進行測量。顯示終端主要以LED為主，一般只顯示當(dāng)前測量點的磁感應(yīng)強度，在整個測量過程中沒有數(shù)據(jù)記錄功能，需要專人負責(zé)填寫，使用起來很不方便。

　　另外，現(xiàn)有測磁儀大都不能實現(xiàn)三相或三個獨立的單相試品的測量，測量過程中無法給出最大磁通量、最小磁通量以及他們分別對應(yīng)的電流，更無法顯示磁滯回線并給出磁滯回線的面積，這些都是我們十分關(guān)心的問題。更重要的是不能測量激磁電流中有直流分量的磁路。

　　以上這些問題使得現(xiàn)有測磁儀在使用過程中總是存在這樣那樣的不足，使測量工作受到很大的限制。

　　2 硬件設(shè)計

　　新型智能測磁儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。外部采樣信號經(jīng)三通道電壓調(diào)理電路和三通道電流調(diào)理電路接至ADS8364。CPU為TMS320LF2407，與ADS8364并行連接。CPU內(nèi)部的SCI實現(xiàn)與PC機通訊，由ST16C550擴展的串口與顯示終端LCD相連，并配有鍵盤及打印機。因TMS320LF2407內(nèi)部RAM空間不足，所有采樣結(jié)果均保存在外部CY7C1021中，CY7C1021在程序調(diào)試過程中作為程序的外部存儲器，正常運行時作為AD采樣結(jié)果的存儲空間。

　　ADS8364與TMS320LF2407接口電路如圖2所示。ADS8364的三位地址線接LF2407的低三位地址線，16位數(shù)據(jù)線與LF2407的16位數(shù)據(jù)線并行連接。3個采保信號分別由FL2407的PWM10，PWM11和PWM12提供。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接LF2407的外部中斷1。BYTE接地使讀取時得到的數(shù)據(jù)位數(shù)以16位的方式輸出。

　　2.1 采樣模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364介紹

　　ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A／D轉(zhuǎn)換芯片，共有64個引腳。其時鐘信號由外部提供，最高頻率為5 MHz，對應(yīng)的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電源供電電壓為3～5 V，即可以與3.3 V供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制器接口。6個模擬輸入通道分為三組(A，B和C)，每組都有一個保持信號(HOLDA，HOLDB和HOLDC)，用來啟動各組的A／D轉(zhuǎn)換，6個通道可以進行同步并行采樣和轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。其共模輸入在50 kHz時為80 dB，特別適合于噪聲比較大的測量環(huán)境。地址／模式信號(A0，A1，A2)決定ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取方式有3種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。根據(jù)BYTE為0或者為1確定每次讀取時得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位還是8位的方式輸出。

　　2.2 微處理器TMS320LF2407簡介

　　TMS320LF2407是TI推出的高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)微處理器，采用3.3 V供電減小了控制器的損耗；30 MHz的主頻使得其具有較高的實時控制和計算能力。

　　片上32 k×16位的FLASH，使得程序燒寫十分便利。兩個事件管理器EVA和EVB；10位的A／D轉(zhuǎn)換，可由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器。

　　外部存諸器擴展：64 k的程序空間，64 k的數(shù)據(jù)空間，64 k的IO空間。5種外部中斷。

　　2.3 異步收發(fā)器ST16C550簡介

　　ST16C550是一種通用異步收發(fā)器(UART)，能夠提供數(shù)據(jù)并／串轉(zhuǎn)換功能。顯示單元采用的LCD基本約定為串口格式，在實現(xiàn)與TMS320LF2407通訊時，通過擴展異步通信接口來實現(xiàn)高速串行通信。

　　2.4 鍵盤及顯示單元

　　鍵盤采用掃描工作方式，設(shè)有0～9數(shù)字鍵、功能鍵、光標向下及向右移動鍵、設(shè)定鍵、啟動鍵和打印鍵。通過鍵盤可設(shè)定分流器的量程、勵磁匝數(shù)、鐵心面積、迭片系數(shù)及磁路長度。顯示單元LCD為DMB24128A，主要顯示A、B、C相的最大、最小磁通及相應(yīng)的電流值以及A、B、C相的磁滯回線的面積。

　　3 軟件設(shè)計

　　智能測磁儀的基本工作流程如圖3所示。上電后首先初始化，對控制寄存器及I／O口進行設(shè)置，自檢無誤后進入鍵盤掃描。有按鍵按下，則進入相應(yīng)的操作，如必要的參數(shù)設(shè)定及界面等，否則默認為缺省值。當(dāng)檢測到啟動鍵按下時，啟動A組采樣達到設(shè)定的采樣次數(shù)，停止A組依次啟動B組、C組，如圖3所示進行循環(huán)，采樣結(jié)果保存在外部存儲空間CY7C1021中。也可以通過設(shè)定只啟動一組采樣。

　　一次循環(huán)采樣結(jié)束后，關(guān)閉中斷，清除標志位。依據(jù)相應(yīng)的算法計算出終端所要顯示的值并送至顯示終端。同時檢測PC機是否需要上位機通訊，如果是則將外部存儲器中的數(shù)通過SCI傳到上位機，否則開中斷進入下一個采樣周期。每組A／D在一個工頻周期內(nèi)最多采樣點數(shù)為800點，這一值可以根據(jù)需要通過鍵盤進行設(shè)置。

　　上位機提供了多種顯示界面，極大地方便了使用。與下位機顯示終端最大的區(qū)別在于不僅包含了所有下位機的功能，而且能夠直觀地顯示電壓、電流波形及磁滯回線。[!--empirenews.page--]4 實驗結(jié)果

　　在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場強度H之間呈直線關(guān)系，直線的斜率等于u0。而在鐵磁材料中磁通密度B和磁場強度H之間是非線性的。鐵磁材料置于交流磁場中，材料被反復(fù)磁化，磁疇相互不停地磨擦、消耗能量，產(chǎn)生磁滯損耗。磁場變化一個周期時，被磁場吸收的能量可用磁滯回線的面積來表示，這部分能量將消耗在鐵磁材料內(nèi)，轉(zhuǎn)化為熱能。磁滯損耗用下式表示：

　　其中：V為鐵心的體積；f為磁場交變的頻率；H為磁場強度；B為磁通密度。

　　磁通密度最大值愈大，磁滯回線面積愈大，磁滯損耗也越大。

　　通過式(1)可以看出，磁通密度與磁感應(yīng)強度的大小直接影響到磁滯損耗，而磁滯回線面積的大小能夠準確反映磁滯損耗情況。據(jù)此對一臺單相試品變壓器進行了測量，記錄電壓、電流波形及磁滯回線如圖4～圖7所示。并對采樣的電壓、電流波形的數(shù)據(jù)結(jié)果與fluk434測的結(jié)果進行了比較，認為是正確的。

　　圖4和圖5分別為交流勵磁時的電壓電流波形及磁滯回線；圖6和圖7分別為交直流勵磁時的電壓電流波形及磁滯回線。由于電壓電流的真實值相差太大，圖上坐標均采用百分值顯示。

　　磁通隨時間正弦變化，磁飽和的非線性導(dǎo)致磁化電流成為與磁通同相位的尖頂波；磁路飽和越嚴重，磁化電流的波形越尖，畸變越嚴重。當(dāng)有直流勵磁電流存在時，激鼓電流已經(jīng)嚴重畸變，關(guān)于x軸出現(xiàn)了嚴重不對稱。

　　5 結(jié)語

　　通過設(shè)計和實驗結(jié)果證明，該新型智能測磁儀具有以下特點：

　　(1)采用高精度16位采樣模塊ADS8364，使得采樣精度大大提高，減小了零飄和測量誤差。

　　(2)結(jié)構(gòu)簡潔，具有較強的抗干擾能力，測量結(jié)果受外部環(huán)境的影響小。

　　(3)操作簡單、功能齊全、使用方便，下位機本身就是一個完整的測量儀器，再配以上位機軟件，能夠通過圖形更加直觀地反映測量結(jié)果。

　　(4)采用比較成熟的算法及數(shù)字信號處理技術(shù)，保證了程序運行的可靠性及計算結(jié)果的準確性。

　　(5)不僅能夠測量交流勵磁回路，對于勵磁回路中含有直流分量的磁路也能準確地測量。

　　本文將ADS8364與TMS320LF2407相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了新型智能測磁儀，該系統(tǒng)采樣精度高，速度快，并可同時采集多路信號，具有廣泛的實用價值。