基于ADS8364的智能測磁儀設計

引 言

　　目前現有的測磁儀，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，在一個工頻周期內的采樣點數少。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現場，由于其傳感器、放大器及隔離器件本身的技術原因，性能相對較差，容易受到干擾。而且現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強度，對于鐵芯內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，一般只顯示當前測量點的磁感應強度，在整個測量過程中沒有數據記錄功能，需要專人負責填寫，使用起來很不方便。

　　另外，現有測磁儀大都不能實現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 硬件設計

　　新型智能測磁儀的硬件結構框圖如圖1所示。外部采樣信號經三通道電壓調理電路和三通道電流調理電路接至ADS8364。CPU為TMS320LF2407，與ADS8364并行連接。CPU內部的SCI實現與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內部RAM空間不足，所有采樣結果均保存在外部CY7C1021中，CY7C1021在程序調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位數據線與LF2407的16位數據線并行連接。3個采保信號分別由FL2407的PWM10，PWM11和PWM12提供。A／D轉換結束信號接LF2407的外部中斷1。BYTE接地使讀取時得到的數據位數以16位的方式輸出。

　　2.1 采樣模／數轉換器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，對應的采樣頻率是250 kHz。數字電源供電電壓為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轉換，6個通道可以進行同步并行采樣和轉換。A／D轉換完成后產生轉換結束信號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的數據讀取方式，轉換結果讀取方式有3種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。根據BYTE為0或者為1確定每次讀取時得到的數據位數，轉換結果以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轉換，可由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A／D轉換器或一個16通道輸入A／D轉換器。

　　外部存諸器擴展：64 k的程序空間，64 k的數據空間，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)，能夠提供數據并／串轉換功能。顯示單元采用的LCD基本約定為串口格式，在實現與TMS320LF2407通訊時，通過擴展異步通信接口來實現高速串行通信。

　　2.4 鍵盤及顯示單元

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

　　3 軟件設計

　　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口進行設置，自檢無誤后進入鍵盤掃描。有按鍵按下，則進入相應的操作，如必要的參數設定及界面等，否則默認為缺省值。當檢測到啟動鍵按下時，啟動A組采樣達到設定的采樣次數，停止A組依次啟動B組、C組，如圖3所示進行循環(huán)，采樣結果保存在外部存儲空間CY7C1021中。也可以通過設定只啟動一組采樣。

　　一次循環(huán)采樣結束后，關閉中斷，清除標志位。依據相應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在一個工頻周期內最多采樣點數為800點，這一值可以根據需要通過鍵盤進行設置。

　　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，材料被反復磁化，磁疇相互不停地磨擦、消耗能量，產生磁滯損耗。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，轉化為熱能。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、電流波形的數據結果與fluk434測的結果進行了比較，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。當有直流勵磁電流存在時，激鼓電流已經嚴重畸變，關于x軸出現了嚴重不對稱。

　　5 結語

　　通過設計和實驗結果證明，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)結構簡潔，具有較強的抗干擾能力，測量結果受外部環(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果。

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

　　(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相結合，設計開發(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。