基于LPC2210和AD7656芯片实现6通道数据采集系统的设计
作者：常铁原;王欣;卢冬
引言
在电力系统三相信号处理应用中，常需要同时对A、B、C三相电压和电流信号进行数据采集和处理。如三相功率、电能测量及谐波分析等。美国ADI公司的 AD7656是16位6通道同时采样的模／数转换器，内部含有6个16位A／D转换器，具有转换精度高、速度快、功耗低、输入模拟信号幅度大、信噪比高等特点。Phmps公司出品的LPC2210，是一款工业级的ARM控制器，处理速度快，性能稳定，与AD7656共同组成的6通道数据采集系统能在很大程度上提高系统的信号采集和处理能力。
1 AD7656的特点及工作原理
1．1 AD7656的特点
图1为AD7656的内部功能框图。
其主要特性为：
◆6个16位独立的ADC通道。
◆输入模拟信号的范围为±（10～15 V）。
◆最大转换速率为250ksps。
◆低功耗，5 V供电时在250ksps下功耗为140 mW。
◆片上2．5 V参考电压和参考缓冲器。
◆8／16位并行接口模式和串行接口模式。
1. 2 工作原理
AD7656是6通道16位逐次逼近型ADC，有2种接口模式：串行接口模式和高速的并行接口模式，并行接口模式又分为8位和16位传送方式。在数据转换时，3个转换信号 CONVSTA／B／C，用来控制每对或每4个或每6个ADC同时采样。如果将3个CONVST引脚连接在一起，就可对6个ADC同时进行采样。在 CONVSTX的上升沿，被选择的ADC对被置为保持模式，转换开始。CONVSTX的上升沿过后，BUSY信号变为高电平表明转换正在进行，转换时间是 3μs，BUSY信号返回低电平表明转换结束。在BUSY信号的下降沿，ADC回到跟踪模式，数据可以通过并行或串行接口从输出寄存器读出。16位并行接口读取数据时先将CS置低，每当读信号（RD）变低，就从16位总线上读取1路数据，6路A／D数据则需要读取6次，其内部转换16位并行接口模式时序如图2所示。
2 硬件设计
图3为AD7656与LPC2210的接口设计，在三相交流电信号处理方面的应用中，选用Philips公司的ARM控制器LPC2210，它具有功耗低、性能高、速度快等特点。LPC2210的PO．22与CONVSTX相连，用来启动6路A／D的同时转换。PO．23与RESET信号相连，为了控制 AD7656复位。EINTl连接BUSY信号，AD7656转换结束后，BUSY信号变低，向LPC2210申请中断。LPC2210的片选信号CSl 和读信号OE分别与A／D的片选信号CS和读信号RD相连，用来读取转换结果，其地址范围为0x81000000H～Ox81FFFFFFH。将 LPC2210的16位数据总线和AD7656的16位数据总线相连接，由于LPC2210为3．3 V接口，而AD7656为5 V，所以串接100Ω电阻进行电平匹配。另外LPC2210还涉及液晶、键盘和RS232接口电路，用于人机接口和计算结果上传。
在AD7656把模拟信号转换为数字信号之前，需要对模拟信号进行信号调理，把模拟信号调整为适合AD7656模拟信号输入要求的电平信号。AD7656 连接外围电路时，在DVCC，AVCC，VDRIVE，REFIN/OUT和VSS引脚须加1组去耦电路，该去耦电路是由1个10μF和1个100 nF电容组成。去耦电容要尽量靠近器件，以达到更好的去耦效果。除了上述几个接口外，AD7656其他关键引脚的连接是STBY接VDRIVE，选择正常模式；RANGE接地表示选择输入范围±10V；H／S SEL接地选择硬件配置；SER／PAR接地，选择并行接口；W／B接地表示16位并行输出；WR／REFEN/DIS接VDRIVE表示选择内部参考。在具体电路板设计时，数字地和模拟地要分开，在靠近电源输入电路的地方连接在一起；AD7656芯片下方不要有数字信号通过，这是为了减少干扰，提高测量精度。
3 软件设计
接口设计应用于多路数据采集，LPC2210数据读取、处理的过程如图4所示。对三相交流电进行数据采集，要求每个周期采样128点，即20 ms采样128点，也就是每156．25μs采样一次。用定时器0定时，定时器时间到，启动A／D转换，如果CONVSTA／B／C三个信号绑在一起，6 个通道的模拟信号同时开始转换，3μs后6个通道的数据全部转换完，BUSY信号变低产生中断，通知ARM读取数据。LPC2210给片选信号CS和读信号RD一个低电平开始读取转换结果，把6路数据读完，退出中断，等待定时器下一次定时到，启动下一次转换，待128次数据转换完之后，暂停定时计数，开始计算。计算结束后，再次启动定时，完成下一个周期的128次数据采集。
结语
本文介绍了一种新型的模／数转换芯片AD7656，它能同时采集6路信号，而且与LPC2210接口电路简单，控制方便，可应用于电力系统三相交流电数据采集系统中。
