高速16位AD7665在基于GPRS远程振动检测中的应用

摘要：基于远程振动检测，提出一种高速、高精度、外围电路简单的基于GPRS无线网络的远程振动测试。通过功率放大器将正弦控制仪产生的正弦信号输出至振动实验台，用AD7665将采集到的模拟信号转换成方便计算机方便传输、处理的数字信号，然后通过GPRS模块MC55i将数字信号传输至远程WEB服务器。详细说明了在远程振动测试中的两个关犍技术，AD7665的模数转换及GPRS模块MC55i的应用。经实验验证，该技术能很好的应于用无人值守远程振动检测，不受距离及环境影响。
关键词：高速ADC；双极性；编码；振动检测；AD7665； GPRS

由于计算机的微型化、网络化、性能价格比的上升和款件功能的日益强大，计算机控制系统几乎可以出现在任何场合：实时控制、监控、数据采集、信息处理、数据库等。
随着计算机技术的迅速发展，现在的振动数据采集主要用微机进行数字化测试分析。振动测试仪器主要为以徽机为核心智能仪器。数字化测试的前撮是将传感器从被测试设备测得的模拟数据转换为数字化数据。因此摸数转换的精度、速度将直接决定数字化测试分析的精度、速度。本文的目的即将一个AD转换芯片应用于振动测试。
AD7665内置一个16位高速采样ADC，扩大了被测设备的振动频率范围。一个电阻器输入标量(允许多种输入范围)，既而易于与多种不同的传感器配套使用。一个内部转换时钟、纠错电路，以及串行和并行系统接口，提高了AD转换外围电路设计的灵活性。
该器件具有3种采样模式：极高采样速率模式(Warp模式)；快速模式(正常模式)，适用于异步转换速率应用；低功耗模式(脉冲模式)，适用于低功耗应用，其功耗与吞吐量呈比例关系。3种采样模式使得系统功耗降至最低。

1 基本原理
逐次比较型A／D转换器。就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。
对图1的电路，在数据采集阶段，它由启动脉冲启动后，DAC内部电容阵列梭用作采样电容，并从IN的输入端得到模拟信号。当数据采集完成后，的输入变为低电平，此时转换状态被启动。在第1个时钟脉冲作用下，控制逻辑电路使内部时序产生器的最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将1 000……0，送入DAC。输入电压首先与DAC输出电压(REF／2)相比较，如IN≥VREF／2，比较器输出为1，若INREF／2，则为0。比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。然后在第2个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1，则此时V0=(3／4)VREF。于是V1再与(3／4)VREF相比较，如V1≥(3／4)VREF，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则V0=VREF／4，与V0比较，如V1≥VREF／4，则Dn-2位存1，否则存0……。以此类推，逐次比较得到输出数字量。在完成这个过程之后，控制逻辑将产生AD转换代码的输出至并口(串口)，并将BUSY线的输出置为低电平。

2 关键问题
在AD转换中时序问题直接决定了AD转换的成功与否，因此时序问题将是本文解决的第一个问题。另外由于本文采用的是双极性的输入，因此在AD7665的应用中应该注意输入配置，以及编码问题。
2．1 时序问题
图2为AD转换过程时序图。信号控制AD7665转换的开始，一旦转换开始就不能被放弃或重新开始，直到转换完成。而信号与和互不干扰。

信号是数字信号，要求有良好的边缘特性。而SNR是一个临界值，信号要求有很小的抖动，可采用一个专门的振荡器来产生信号，或者采用高频率低抖动的时钟来产生。
在Impulse模式中，可以自动开启转换。当BUSY信号变为低电平而信号保持低电平时，AD7665控制数据采集阶段，并自动启动一个新的转换。当一直保持低电平时，AD7665将自动保持转换过程。值得注意的是，当BUSY信号变为低电平时，模拟信号被输入。同样，当上电时，被置为低电平以开启转换过程。在Impulse模式中，AD7665的转换速度将比570 kSPS高，而这个特征在Warp和Normal模式中所没有的。[p]
2．2 输入配置
AD7665为单(双)极性输入模数转换器，设计者可根据实际需要选择其输入范围。AD7665输入配置如表1所示。

本文采用的输入电压范围为±REF，即INA与REF相连。此时为三通道±REF范围电压的AD转换，输入阻抗为2．56kΩ。
2．3 编码问题
由于AD7665为双极性输入的AD转换。在输入正、负电压时编码方式有所差别。数字输出码与模拟输入关系如表2所示。

AD7665自身可直接输出标准二进制码及二进制补码。因此可根据实际情况选择其输出方式。
2．4 GPRS模块与服务器应用程序
GPRS模块采用Siemens公司生产的GPRS／GSM三频无线通讯模块MC55i。MC55i集成了高性能GSM／GPRS基带处理，完整的无线频率电路包括功率放大器及天线接口，内嵌便于连接Internet的可由AT指令驱动的TCP／IP协议栈，大大节省了连接到Internet的时间和花费。
当GPRS模块要向远程服务器发送数据时，首先用ATSICS命令创建一个连接类型参数集，用来决定一个Internet的连接类型；然后以连接类型参数集为基础，用ATSISS命令创建一个服务类型参数集，用指定Intemet服务的类型，也就是Socket，FTP，HTTP，或email服务，SMTP或PO的其中之一；一旦连接参数集和服务参数集被创建，就可以用ATSISO打开一个Internet会话，然后等待一个URC串口数据的返回；会话完成后可以用ATSISR命令进行读数据，和用ATSISW命令进行写数据；最后用ATSISC(以srvProfileld>为参数)命令结束Internet会话。
远程服务器在启动服务端程序后，开始等待GPRS终端请求到达该端口，在接收到服务请求后，要激活一个新的控件(或线程)来处理这个GPRS终端请求。服务完成后，关闭此新进程与GPRS终端的通信链路，此时即完成一次GPRS通信。
服务器应用程序主要靠调用API函数Winsock来完成。其过程为：首先用Socket()创建套接字，然后Bind()本地IP和端口与套接字相连，用Listen()设定监听连接数，开始用Accept()等待客户连接，连接成功返回接连序号，再用Recv()、send()根据上面得的序号进行读写操作。读写完成后，用Close()关闭连接，Closesocket()删除套接字，程序结束。[p]

3 实验环境
本实验为采用AD7665模数转换完成对一个100Hz的正弦信号进行数据采集。如图3所示，首先由svc-1正弦控制仪输出一个正弦激励信号，给功率放大器(PA1200)，去推动振动台(ES-05电动振动试验系统)产生一个100Hz的正弦振动。通过加速度传感器把振动台台面的正弦振动信号传到(2635型)电荷放大器，电荷放大器将加速度传感器的高输出阻抗转换为前置放大器的低输出阻抗，以便同后续仪器相匹配，同时放大从加速度传感器输出的微弱信号，使电荷信号转换成电压信号。然后通过AD7665模数转换模块采集1024个振动数据，再通过GPRS模块传送至PC。

AD7665模数转换及GPRS模块如图4所示。该模块功能为：把振动传感器输出的模拟信号(双极性)转换为16位数字信号，以便PC进行处理。该电路采用AD7665的并行输出模式。GPBS模块为MC55i模块。

在此实验中，将INA与REF接+5 V，INB-IND输入范围为-5～+5 V，0～+5 V时输出为0000…0000-0111…1111，即从0～32767，-5～0 V时输出为1000…0000～1111…1111，即从32768～65535。AD7665完成一次转换后，BUSY跳变为低电平时将D[0：15]锁存到74374，51发出信号启动转换的同时，将上次转换的结果从74374取走。

4 实验结果
通过实验将从振动台测试得到的1 024个振动数据在PC上进行分析后，其结果如图5所示。

由图5可看出，一些采样点与实际存在偏差。因为本实验中的AD7665模数转换模块是在万能板上的手工制作，其抗干扰能力本身就较差，而且由于数字线在芯片下方穿过，产生藕合噪声。如果将本实验的器件印制在电路板中，则会提高其抗干扰能力，也就降低了测试过程中的误差。

5 结论
通过本实验，可以看出AD7665应用于振动测试，其速度、精度都能很好的满足数字化振动测试。但在印制电路板过程中应注意其抗干扰的设计：模拟部分和数字部分应分开在不同的区域；避免让数字线在芯片下方穿过，以避免产生耦合噪声；电源线要使用尽可能粗的线，以达到低阻抗并能较少短时脉冲对电源的干扰；电压基准的退耦装置也是非常重要的，退耦电容应该离ADC尽可能的近，并用短而粗的线连接，以减少寄生电感。