基于ADS8364的智能测磁仪设计

liyf

引 言
　　目前现有的测磁仪，采样使用的A／D大多为10位A／D，这使得其采样精度低，测量误差大，而且抗干扰能力差。CPU大都以单片机为主，供电电源为5 V，控制器功耗比较大；主频低使得指令执行周期长，计算速度慢，在一个工频周期内的采样点数少。在环境恶劣的工业现场，由于其传感器、放大器及隔离器件本身的技术原因，性能相对较差，容易受到干扰。而且现有测磁仪的功能大都比较简单，通常以单通道为主，外加一个霍尔传感器，一般只能测量试品外壁某一点的磁感应强度，对于铁芯内部等传感器无法到达的部位不能进行测量。显示终端主要以LED为主，一般只显示当前测量点的磁感应强度，在整个测量过程中没有数据记录功能，需要专人负责填写，使用起来很不方便。
　　另外，现有测磁仪大都不能实现三相或三个独立的单相试品的测量，测量过程中无法给出最大磁通量、最小磁通量以及他们分别对应的电流，更无法显示磁滞回线并给出磁滞回线的面积，这些都是我们十分关心的问题。更重要的是不能测量激磁电流中有直流分量的磁路。
　　以上这些问题使得现有测磁仪在使用过程中总是存在这样那样的不足，使测量工作受到很大的限制。
　　2 硬件设计
　　新型智能测磁仪的硬件结构框图如图1所示。外部采样信号经三通道电压调理电路和三通道电流调理电路接至ADS8364。CPU为TMS320LF2407，与ADS8364并行连接。CPU内部的SCI实现与PC机通讯，由ST16C550扩展的串口与显示终端LCD相连，并配有键盘及打印机。因TMS320LF2407内部RAM空间不足，所有采样结果均保存在外部CY7C1021中，CY7C1021在程序调试过程中作为程序的外部存储器，正常运行时作为AD采样结果的存储空间。



　　ADS8364与TMS320LF2407接口电路如图2所示。ADS8364的三位地址线接LF2407的低三位地址线，16位数据线与LF2407的16位数据线并行连接。3个采保信号分别由FL2407的PWM10，PWM11和PWM12提供。A／D转换结束信号接LF2407的外部中断1。BYTE接地使读取时得到的数据位数以16位的方式输出。



　　2.1 采样模／数转换器ADS8364介绍
　　ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A／D转换芯片，共有64个引脚。其时钟信号由外部提供，最高频率为5 MHz，对应的采样频率是250 kHz。数字电源供电电压为3～5 V，即可以与3.3 V供电的微控制器接口，也可以与5 V供电的微控制器接口。6个模拟输入通道分为三组(A，B和C)，每组都有一个保持信号(HOLDA，HOLDB和HOLDC)，用来启动各组的A／D转换，6个通道可以进行同步并行采样和转换。A／D转换完成后产生转换结束信号EOC。其共模输入在50 kHz时为80 dB，特别适合于噪声比较大的测量环境。地址／模式信号(A0，A1，A2)决定ADS8364的数据读取方式，转换结果读取方式有3种：直接读取、循环读取和FIFO方式。根据BYTE为0或者为1确定每次读取时得到的数据位数，转换结果以16位还是8位的方式输出。
　　2.2 微处理器TMS320LF2407简介
　　TMS320LF2407是TI推出的高性能静态CMOS技术微处理器，采用3.3 V供电减小了控制器的损耗；30 MHz的主频使得其具有较高的实时控制和计算能力。
　　片上32 k×16位的FLASH，使得程序烧写十分便利。两个事件管理器EVA和EVB；10位的A／D转换，可由两个事件管理器来触发两个8通道输入A／D转换器或一个16通道输入A／D转换器。
　　外部存诸器扩展：64 k的程序空间，64 k的数据空间，64 k的IO空间。5种外部中断。
　　2.3 异步收发器ST16C550简介
　　ST16C550是一种通用异步收发器(UART)，能够提供数据并／串转换功能。显示单元采用的LCD基本约定为串口格式，在实现与TMS320LF2407通讯时，通过扩展异步通信接口来实现高速串行通信。
　　2.4 键盘及显示单元
　　键盘采用扫描工作方式，设有0～9数字键、功能键、光标向下及向右移动键、设定键、启动键和打印键。通过键盘可设定分流器的量程、励磁匝数、铁心面积、迭片系数及磁路长度。显示单元LCD为DMB24128A，主要显示A、B、C相的最大、最小磁通及相应的电流值以及A、B、C相的磁滞回线的面积。
　　3 软件设计
　　智能测磁仪的基本工作流程如图3所示。上电后首先初始化，对控制寄存器及I／O口进行设置，自检无误后进入键盘扫描。有按键按下，则进入相应的操作，如必要的参数设定及界面等，否则默认为缺省值。当检测到启动键按下时，启动A组采样达到设定的采样次数，停止A组依次启动B组、C组，如图3所示进行循环，采样结果保存在外部存储空间CY7C1021中。也可以通过设定只启动一组采样。



　　一次循环采样结束后，关闭中断，清除标志位。依据相应的算法计算出终端所要显示的值并送至显示终端。同时检测PC机是否需要上位机通讯，如果是则将外部存储器中的数通过SCI传到上位机，否则开中断进入下一个采样周期。每组A／D在一个工频周期内最多采样点数为800点，这一值可以根据需要通过键盘进行设置。
　　上位机提供了多种显示界面，极大地方便了使用。与下位机显示终端最大的区别在于不仅包含了所有下位机的功能，而且能够直观地显示电压、电流波形及磁滞回线。
                          
                       
                          
                                4 实验结果



　　在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间呈直线关系，直线的斜率等于u0。而在铁磁材料中磁通密度B和磁场强度H之间是非线性的。铁磁材料置于交流磁场中，材料被反复磁化，磁畴相互不停地磨擦、消耗能量，产生磁滞损耗。磁场变化一个周期时，被磁场吸收的能量可用磁滞回线的面积来表示，这部分能量将消耗在铁磁材料内，转化为热能。磁滞损耗用下式表示：
　　其中：V为铁心的体积；f为磁场交变的频率；H为磁场强度；B为磁通密度。
　　磁通密度最大值愈大，磁滞回线面积愈大，磁滞损耗也越大。
　　通过式(1)可以看出，磁通密度与磁感应强度的大小直接影响到磁滞损耗，而磁滞回线面积的大小能够准确反映磁滞损耗情况。据此对一台单相试品变压器进行了测量，记录电压、电流波形及磁滞回线如图4～图7所示。并对采样的电压、电流波形的数据结果与fluk434测的结果进行了比较，认为是正确的。
　　图4和图5分别为交流励磁时的电压电流波形及磁滞回线；图6和图7分别为交直流励磁时的电压电流波形及磁滞回线。由于电压电流的真实值相差太大，图上坐标均采用百分值显示。



　　磁通随时间正弦变化，磁饱和的非线性导致磁化电流成为与磁通同相位的尖顶波；磁路饱和越严重，磁化电流的波形越尖，畸变越严重。当有直流励磁电流存在时，激鼓电流已经严重畸变，关于x轴出现了严重不对称。



　　5 结语
　　通过设计和实验结果证明，该新型智能测磁仪具有以下特点：
　　(1)采用高精度16位采样模块ADS8364，使得采样精度大大提高，减小了零飘和测量误差。
　　(2)结构简洁，具有较强的抗干扰能力，测量结果受外部环境的影响小。
　　(3)操作简单、功能齐全、使用方便，下位机本身就是一个完整的测量仪器，再配以上位机软件，能够通过图形更加直观地反映测量结果。
　　(4)采用比较成熟的算法及数字信号处理技术，保证了程序运行的可靠性及计算结果的准确性。
　　(5)不仅能够测量交流励磁回路，对于励磁回路中含有直流分量的磁路也能准确地测量。
　　本文将ADS8364与TMS320LF2407相结合，设计开发了新型智能测磁仪，该系统采样精度高，速度快，并可同时采集多路信号，具有广泛的实用价值。