高速16位AD7665在基于GPRS遠(yuǎn)程振動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

由于計(jì)算機(jī)的微型化、網(wǎng)絡(luò)化、性能價(jià)格比的上升和款件功能的日益強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)幾乎可以出現(xiàn)在任何場(chǎng)合：實(shí)時(shí)控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)庫(kù)等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集主要用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)試分析。振動(dòng)測(cè)試儀器主要為以徽機(jī)為核心智能儀器。數(shù)字化測(cè)試的前撮是將傳感器從被測(cè)試設(shè)備測(cè)得的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此摸數(shù)轉(zhuǎn)換的精度、速度將直接決定數(shù)字化測(cè)試分析的精度、速度。本文的目的即將一個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試。

AD7665內(nèi)置一個(gè)16位高速采樣ADC，擴(kuò)大了被測(cè)設(shè)備的振動(dòng)頻率范圍。一個(gè)電阻器輸入標(biāo)量(允許多種輸入范圍)，既而易于與多種不同的傳感器配套使用。一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口，提高了AD轉(zhuǎn)換外圍電路設(shè)計(jì)的靈活性。

該器件具有3種采樣模式：極高采樣速率模式(Warp模式)；快速模式(正常模式)，適用于異步轉(zhuǎn)換速率應(yīng)用；低功耗模式(脈沖模式)，適用于低功耗應(yīng)用，其功耗與吞吐量呈比例關(guān)系。3種采樣模式使得系統(tǒng)功耗降至最低。

1 基本原理

逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器。就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。

對(duì)圖1的電路，在數(shù)據(jù)采集階段，它由啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)后，DAC內(nèi)部電容陣列梭用作采樣電容，并從IN的輸入端得到模擬信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，的輸入變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)轉(zhuǎn)換狀態(tài)被啟動(dòng)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，控制邏輯電路使內(nèi)部時(shí)序產(chǎn)生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將1 000……0，送入DAC。輸入電壓首先與DAC輸出電壓(REF／2)相比較，如IN≥VREF／2，比較器輸出為1，若IN

2 關(guān)鍵問(wèn)題

在AD轉(zhuǎn)換中時(shí)序問(wèn)題直接決定了AD轉(zhuǎn)換的成功與否，因此時(shí)序問(wèn)題將是本文解決的第一個(gè)問(wèn)題。另外由于本文采用的是雙極性的輸入，因此在AD7665的應(yīng)用中應(yīng)該注意輸入配置，以及編碼問(wèn)題。

2．1 時(shí)序問(wèn)題

圖2為AD轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)序圖。信號(hào)控制AD7665轉(zhuǎn)換的開(kāi)始，一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始就不能被放棄或重新開(kāi)始，直到轉(zhuǎn)換完成。而信號(hào)與/CS和/RD互不干擾。

信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，要求有良好的邊緣特性。而SNR是一個(gè)臨界值，信號(hào)要求有很小的抖動(dòng)，可采用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的振蕩器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，或者采用高頻率低抖動(dòng)的時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生。

在Impulse模式中，可以自動(dòng)開(kāi)啟轉(zhuǎn)換。當(dāng)BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖蕉盘?hào)保持低電平時(shí)，AD7665控制數(shù)據(jù)采集階段，并自動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換。當(dāng)一直保持低電平時(shí)，AD7665將自動(dòng)保持轉(zhuǎn)換過(guò)程。值得注意的是，當(dāng)BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，模擬信號(hào)被輸入。同樣，當(dāng)上電時(shí)，被置為低電平以開(kāi)啟轉(zhuǎn)換過(guò)程。在Impulse模式中，AD7665的轉(zhuǎn)換速度將比570 kSPS高，而這個(gè)特征在Warp和Normal模式中所沒(méi)有的。

2．2 輸入配置

AD7665為單(雙)極性輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際需要選擇其輸入范圍。AD7665輸入配置如表1所示。

本文采用的輸入電壓范圍為±REF，即INA與REF相連。此時(shí)為三通道±REF范圍電壓的AD轉(zhuǎn)換，輸入阻抗為2．56kΩ。

2．3 編碼問(wèn)題

由于AD7665為雙極性輸入的AD轉(zhuǎn)換。在輸入正、負(fù)電壓時(shí)編碼方式有所差別。數(shù)字輸出碼與模擬輸入關(guān)系如表2所示。

AD7665自身可直接輸出標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼及二進(jìn)制補(bǔ)碼。因此可根據(jù)實(shí)際情況選擇其輸出方式。

2．4 GPRS模塊與服務(wù)器應(yīng)用程序

GPRS模塊采用Siemens公司生產(chǎn)的GPRS／GSM三頻無(wú)線通訊模塊MC55i。MC55i集成了高性能GSM／GPRS基帶處理，完整的無(wú)線頻率電路包括功率放大器及天線接口，內(nèi)嵌便于連接Internet的可由AT指令驅(qū)動(dòng)的TCP／IP協(xié)議棧，大大節(jié)省了連接到Internet的時(shí)間和花費(fèi)。

當(dāng)GPRS模塊要向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先用ATSICS命令創(chuàng)建一個(gè)連接類(lèi)型參數(shù)集，用來(lái)決定一個(gè)Internet的連接類(lèi)型；然后以連接類(lèi)型參數(shù)集為基礎(chǔ)，用ATSISS命令創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)類(lèi)型參數(shù)集，用指定Intemet服務(wù)的類(lèi)型，也就是Socket，F(xiàn)TP，HTTP，或email服務(wù)，SMTP或PO的其中之一；一旦連接參數(shù)集和服務(wù)參數(shù)集被創(chuàng)建，就可以用ATSISO打開(kāi)一個(gè)Internet會(huì)話，然后等待一個(gè)URC串口數(shù)據(jù)的返回；會(huì)話完成后可以用ATSISR命令進(jìn)行讀數(shù)據(jù)，和用ATSISW命令進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)；最后用ATSISC(以為參數(shù))命令結(jié)束Internet會(huì)話。

遠(yuǎn)程服務(wù)器在啟動(dòng)服務(wù)端程序后，開(kāi)始等待GPRS終端請(qǐng)求到達(dá)該端口，在接收到服務(wù)請(qǐng)求后，要激活一個(gè)新的控件(或線程)來(lái)處理這個(gè)GPRS終端請(qǐng)求。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進(jìn)程與GPRS終端的通信鏈路，此時(shí)即完成一次GPRS通信。

服務(wù)器應(yīng)用程序主要靠調(diào)用API函數(shù)Winsock來(lái)完成。其過(guò)程為：首先用Socket()創(chuàng)建套接字，然后Bind()本地IP和端口與套接字相連，用Listen()設(shè)定監(jiān)聽(tīng)連接數(shù)，開(kāi)始用Accept()等待客戶連接，連接成功返回接連序號(hào)，再用Recv()、send()根據(jù)上面得的序號(hào)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)完成后，用Close()關(guān)閉連接，Closesocket()刪除套接字，程序結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)為采用AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換完成對(duì)一個(gè)100Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示，首先由svc-1正弦控制儀輸出一個(gè)正弦激勵(lì)信號(hào)，給功率放大器(PA1200)，去推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)(ES-05電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng))產(chǎn)生一個(gè)100Hz的正弦振動(dòng)。通過(guò)加速度傳感器把振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的正弦振動(dòng)信號(hào)傳到(2635型)電荷放大器，電荷放大器將加速度傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為前置放大器的低輸出阻抗，以便同后續(xù)儀器相匹配，同時(shí)放大從加速度傳感器輸出的微弱信號(hào)，使電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。然后通過(guò)AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集1024個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，再通過(guò)GPRS模塊傳送至PC。

AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換及GPRS模塊如圖4所示。該模塊功能為：把振動(dòng)傳感器輸出的模擬信號(hào)(雙極性)轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)，以便PC進(jìn)行處理。該電路采用AD7665的并行輸出模式。GPBS模塊為MC55i模塊。

在此實(shí)驗(yàn)中，將INA與REF接+5 V，INB-IND輸入范圍為-5～+5 V，0～+5 V時(shí)輸出為0000…0000-0111…1111，即從0～32767，-5～0 V時(shí)輸出為1000…0000～1111…1111，即從32768～65535。AD7665完成一次轉(zhuǎn)換后，BUSY跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)將D[0：15]鎖存到74374，51發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，將上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果從74374取走。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)將從振動(dòng)臺(tái)測(cè)試得到的1 024個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)在PC上進(jìn)行分析后，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出，一些采樣點(diǎn)與實(shí)際存在偏差。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中的AD7665模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是在萬(wàn)能板上的手工制作，其抗干擾能力本身就較差，而且由于數(shù)字線在芯片下方穿過(guò)，產(chǎn)生藕合噪聲。如果將本實(shí)驗(yàn)的器件印制在電路板中，則會(huì)提高其抗干擾能力，也就降低了測(cè)試過(guò)程中的誤差。

5 結(jié)論

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，可以看出AD7665應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試，其速度、精度都能很好的滿足數(shù)字化振動(dòng)測(cè)試。但在印制電路板過(guò)程中應(yīng)注意其抗干擾的設(shè)計(jì)：模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)分開(kāi)在不同的區(qū)域；避免讓數(shù)字線在芯片下方穿過(guò)，以避免產(chǎn)生耦合噪聲；電源線要使用盡可能粗的線，以達(dá)到低阻抗并能較少短時(shí)脈沖對(duì)電源的干擾；電壓基準(zhǔn)的退耦裝置也是非常重要的，退耦電容應(yīng)該離ADC盡可能的近，并用短而粗的線連接，以減少寄生電感。