朱曉慧 譚松清 李 瑞

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

高精度同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制

朱曉慧1,2譚松清1李 瑞1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

在磁鐵電源研制等多種應(yīng)用場(chǎng)合需同步測(cè)量多個(gè)信號(hào)，同時(shí)要求測(cè)量數(shù)據(jù)要有較高的精度。利用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7960實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)獲取，使用可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)進(jìn)行邏輯控制實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)控制，研制出了高分辨率同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。分別針對(duì)高精度和同步性能進(jìn)行測(cè)試和分析，得出系統(tǒng)的實(shí)際有效分辨率高于18位，并驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的同步數(shù)據(jù)采集。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，高精度，同步采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，網(wǎng)絡(luò)，磁鐵電源

上海光源是一臺(tái)先進(jìn)的第三代電子同步輻射加速器，同步輻射裝置對(duì)磁鐵電源有著高精度、高穩(wěn)定性等指標(biāo)要求。磁鐵電源[1]的精度主要受反饋精度影響，這就需要有高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取電流或電壓的反饋信號(hào)。磁鐵電源為磁鐵負(fù)載提供勵(lì)磁電流，電流的變化引起磁通量的變化，在磁鐵設(shè)計(jì)中需要同時(shí)獲取電流和磁通量的信息以研究磁鐵性能的好壞，如何實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)獲取已經(jīng)成為關(guān)鍵。在上述功能需求下，研制了高精度同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在上海光源得到了應(yīng)用，實(shí)際性能都達(dá)到了預(yù)期要求。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 高精度數(shù)據(jù)的獲取

高精度數(shù)據(jù)獲取的硬件實(shí)現(xiàn)集成在模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog Digital Converter, ADC)采樣卡上。采樣數(shù)據(jù)的獲取由AD7960[2]芯片實(shí)現(xiàn)，AD7960是一款18位、5 MSPS、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如圖1所示，在CNV±邊沿，AD7960對(duì)IN+與IN-引腳之間的電壓差進(jìn)行采樣。施加于AD7960的模擬輸入(IN+和IN-)必須保持180°反相。一旦采集階段結(jié)束且CNV±輸入變?yōu)楦唠娖剑磫?dòng)轉(zhuǎn)換階段。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以串行方式輸出。系統(tǒng)通過(guò)過(guò)采樣[3]技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的有效分辨率。系統(tǒng)的實(shí)際采樣頻率帶寬為0.05 Hz-100 kHz，該帶寬對(duì)于絕大部分磁鐵電源和磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠。

ADC的時(shí)序控制和數(shù)據(jù)處理由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)完成。FPGA采用Altera公司的Cyclone IV[4]系列的EP4CE40F484芯片。用戶通過(guò)上層界面設(shè)置好同步觸發(fā)脈沖信號(hào)頻率、采樣時(shí)間，發(fā)送啟動(dòng)命令后，由FPGA產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，ADC被觸發(fā)后開(kāi)始采樣，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出給FPGA處理后存儲(chǔ)在4M 32位的SDRAM中。采樣結(jié)束后，數(shù)據(jù)上傳給上層界面，供用戶研究分析。

圖1 AD7960轉(zhuǎn)換時(shí)序圖Fig.1 AD7960 conversion timing diagram.

1.2 同步采集

利用控制卡和ADC采集卡協(xié)同工作的模式實(shí)現(xiàn)同步采集?？刂瓶ㄍ瑯硬捎肍PGA芯片實(shí)現(xiàn)邏輯控制?？刂瓶锳DC卡提供同步采樣觸發(fā)脈沖信號(hào)。此外，控制卡還具有PID算法實(shí)現(xiàn)、PWM波形產(chǎn)生、數(shù)字信號(hào)輸入輸出等功能，在ADC采集卡的配合下可實(shí)現(xiàn)磁鐵電源的負(fù)反饋控制。

一塊控制卡和一塊ADC采集卡組成一套電源控制器。當(dāng)需要同步獲取多個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)多套電源控制器共同作用實(shí)現(xiàn)。其中一套電源控制器作為主控制器，其余的構(gòu)成從控制器。主控制器用于產(chǎn)生同步采樣觸發(fā)脈沖信號(hào)，其自身也負(fù)責(zé)一路信號(hào)的轉(zhuǎn)換?？刂破鞯闹鲝哪Ｊ饺鐖D2所示。主控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生下降沿觸發(fā)的同步觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，如圖3所示。開(kāi)啟采樣命令后，所有的ADC卡處于待命狀態(tài)，當(dāng)每一個(gè)觸發(fā)脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)刻，所有的采集卡被觸發(fā)進(jìn)行同步采樣，每來(lái)一次觸發(fā)脈沖，進(jìn)行一次采樣。同時(shí)，每次觸發(fā)脈沖信號(hào)到來(lái)后，各ADC卡均以5 MHz的采樣頻率進(jìn)行過(guò)采樣，然后通過(guò)平均法獲得當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)換的碼數(shù)，完成一次觸發(fā)脈沖下的數(shù)據(jù)采集。其中，同步觸發(fā)脈沖信號(hào)的次數(shù)=同步觸發(fā)脈沖信號(hào)頻率×采樣時(shí)間。

圖2 控制器的主從模式Fig.2 Master-slave mode of the controller.

圖3 同步觸發(fā)脈沖信號(hào)Fig.3 Synchronizing trigger signal.

1.3 與上位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量需要送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理以便后續(xù)的顯示、觀察、分析，早期的電源控制器采用RS232接口來(lái)傳輸控制命令和數(shù)據(jù)，傳輸速度慢，使用上也不方便。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)勢(shì)更加明顯。為了追求高效、穩(wěn)定、便捷的通信方式，該系統(tǒng)集成了標(biāo)準(zhǔn)的100Mbps以太網(wǎng)通信接口，采用TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸控制命令和數(shù)據(jù)。

1.4 上層控制界面的實(shí)現(xiàn)

采用Visual Basic 6.0進(jìn)行可視化控制界面的設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)控制界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、發(fā)布啟動(dòng)命令、上傳采樣數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)等操作。經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的控制(圖4、圖5)。

圖4 控制卡主界面Fig.4 Control interface of control card.

圖5 ADC采集卡主界面Fig.5 Control interface of ADC card.

2 系統(tǒng)的性能測(cè)試與分析

2.1 系統(tǒng)有效分辨率測(cè)試

表征系統(tǒng)精度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是ADC的有效分辨率。由于ADC量化噪聲、電路板熱噪聲和開(kāi)關(guān)器件等噪聲的存在，輸出碼呈現(xiàn)高斯分布。故總輸出可分解為理想ADC的直流輸入與折合總噪聲的共同作用，由此可確定噪聲的有效值（即標(biāo)準(zhǔn)誤差σ）。ADC的有效分辨率[5]為：

式中，a為有效分辨率；b為輸入滿度范圍；c為有效值噪聲。

有效分辨率與ENOB容易混淆[6]。測(cè)試ENOB最常用的辦法是對(duì)ADC的一個(gè)正弦輸入做快速傅里葉變換分析。IEEE標(biāo)準(zhǔn)1057將ENOB定義為：

由于本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合為磁鐵電源和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量，所測(cè)信號(hào)都是大周期信號(hào)，我們關(guān)注的是信號(hào)的低頻特性，故不采用正弦方法，又由于實(shí)驗(yàn)室具備標(biāo)準(zhǔn)源，故選用簡(jiǎn)單方便的標(biāo)準(zhǔn)差法。測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生2.3 V的直流信號(hào)作為輸入，采樣時(shí)間為1 s，分別以5 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz、75 kHz和100 kHz的同步觸發(fā)信號(hào)頻率進(jìn)行觸發(fā)采樣，對(duì)數(shù)據(jù)分析繪制出有效分辨率與同步觸發(fā)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖6所示，可見(jiàn)在100 kHz處有效分辨率降到最低，但仍然達(dá)到了18.7位，系統(tǒng)通過(guò)過(guò)采樣提高了有效分辨率。

圖6 有效分辨率與同步觸發(fā)信號(hào)頻率的關(guān)系Fig.6 Relationship between the effective resolution andfrequency of synchronizing trigger signal.

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，以70 kHz的采樣頻率、10 μV的臺(tái)階增量進(jìn)行測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)分析得到分辨率示意圖，如圖7所示，可見(jiàn)臺(tái)階分辨清晰。

圖7 ADC分辨率示意圖Fig.7 ADC resolution schematic.

2.2 同步性能測(cè)試

使用Agilent 33220 A 20 MHz函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值2.5 V、頻率100 Hz、初相0的正弦波信號(hào)送入兩路ADC采集卡輸入端，同步觸發(fā)信號(hào)頻率為50 kHz，采樣時(shí)間為0.1 s，使用兩路同步采集，測(cè)得的數(shù)據(jù)波形見(jiàn)圖8。兩路信號(hào)幾乎完全重合，沒(méi)有時(shí)間差。為精確表征系統(tǒng)的同步性能，使用MATLAB對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求得互相關(guān)函數(shù)。原理：設(shè)有任一波A(t)和另一個(gè)延遲時(shí)間為τ的波B(t)，在有限時(shí)間間隔T內(nèi)其互相關(guān)函數(shù)定義為：

圖8 同步采集得到的兩路信號(hào)Fig.8 Two signals obtained by synchronous acquisition.

當(dāng)互相關(guān)函數(shù)取得最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的τ就是兩路信號(hào)相應(yīng)的時(shí)延[7]。對(duì)于離散化采樣數(shù)據(jù)，則：設(shè)A(t)=a(n)，B(t)=b(n)，n=0、1、2、…、N，則互相關(guān)函數(shù)為：

式中，m=-N、-N+1、…、N-1、N，則當(dāng)rAB取最大值時(shí)，m對(duì)應(yīng)的τ就是兩路信號(hào)的時(shí)延。計(jì)算兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)(圖9)，兩路信號(hào)互相關(guān)函數(shù)在0處取的最大值，即兩路信號(hào)的時(shí)延為0個(gè)采樣點(diǎn)，說(shuō)明兩路信號(hào)之間沒(méi)有相位差，做到了同步采樣。進(jìn)一步分析系統(tǒng)可能存在的時(shí)延，由于每厘米的電路延時(shí)在皮秒量級(jí)，我們的線路僅為幾厘米，故電路延時(shí)可忽略不計(jì)。考慮到采集卡之間會(huì)有時(shí)鐘周期延時(shí)，但最多不可能超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期(6.67 ns)，故我們的系統(tǒng)同步性能是優(yōu)于10 ns的。

圖9 兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)Fig.9 Two signals cross-correlation function diagram.

對(duì)比市面上現(xiàn)有的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效位數(shù)得出表1。

表1 系統(tǒng)分辨率對(duì)比Table 1 Resolution comparison of different systems.

3 同步數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 在參數(shù)整定時(shí)上的應(yīng)用

在對(duì)磁鐵電源進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置時(shí)，如若出現(xiàn)超調(diào)或振蕩等變化，普通的示波器由于分辨率有限無(wú)法抓取到波形動(dòng)態(tài)變化的細(xì)節(jié)。磁鐵電源的PWM頻率約為25 kHz，最大為50 kHz，針對(duì)這樣一個(gè)范圍，我們的ADC滿足要求，可以實(shí)現(xiàn)高精度的采樣捕捉到波形動(dòng)態(tài)變化的細(xì)節(jié)。用戶根據(jù)細(xì)微的動(dòng)態(tài)變化，修改、調(diào)整設(shè)定參數(shù)，使得電源達(dá)到更為理想的輸出。

3.2 在動(dòng)態(tài)測(cè)量磁場(chǎng)上的作用

采用兩套電源控制器組成兩路數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，對(duì)電流信號(hào)和磁通量信號(hào)進(jìn)行采集。電流波形為周期性的梯形波，由于電流的變化范圍從0 A升至1200 A，這里為了方便顯示對(duì)獲取到的電流和磁通量數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，得到的電流和磁通量的波形如圖10所示，直線波形為電流波形，虛線為磁通量波形，圖10中有兩段下降波形處出現(xiàn)了時(shí)延，是電感和磁滯效應(yīng)必定產(chǎn)生的延遲，該特性正是磁鐵研究的重點(diǎn)。由于我們的系統(tǒng)具有較高的同步特性，故而測(cè)得數(shù)據(jù)能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)電流和磁場(chǎng)的變化，為磁鐵的設(shè)計(jì)和分析提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

圖10 電流與磁通量波形Fig.10 Waveform of current and magnetic flux.

4 結(jié)語(yǔ)

目前，在市場(chǎng)已有的產(chǎn)品中，有的控制系統(tǒng)能夠有較高的ADC分辨率，但不能做到多路信號(hào)的同步采樣，而有的產(chǎn)品能做到同步采樣，但系統(tǒng)的分辨率又達(dá)不到要求。我們的新版本數(shù)字化電源控制器既能達(dá)到較高的分辨率，又能實(shí)現(xiàn)同步采樣，將二者的優(yōu)勢(shì)集于一身，在實(shí)踐中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，我們選擇網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)傳輸控制命令和數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的通信效率，節(jié)約了成本，使用起來(lái)也極為方便。

1 魯璟. 磁鐵電源數(shù)字化控制器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2010 LU Jing. Research and design of digital controller of magnet power supply[D]. Changsha: Hunan University, 2010

2 AD7960 datasheet[EB]. http://www.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/pdf/528261/AD/AD7960.html, 2013

3 She X P, Xiong J Q. Multi-channel electrical power data acquisition system based on AD7606 and NIOSII[C]. International Conference on Electrical and Control Engineering, v.3. 2011: 1625-1627

4 ALTERA. Cyclone IV datasheet[EB]. http://www.altera. com.cn/literature/hb/cyclone-iv/cyiv-53001.pdf, 2013

5 柯新花, 盧宋林, 許瑞年. 一種實(shí)用的高精度ADC測(cè)試方法[J]. 核技術(shù), 2008, 31(5): 374-378 KE Xinhua, LU Songlin, XU Ruinian. A practical method to test high-resolution ADC[J]. Nuclear Techniques, 2008, 31(5): 374-378

6 Steve Logan. 理解ADC的噪聲、ENOB及有效分辨率[J].技術(shù)縱橫, 2012, 08: 43-46 Steve Logan. Understand the noise of the ADC, ENOB and effective resolution[J]. Technical Feature, 2012, 08: 43-46

7 羅映霞, 馬君, 朱青松. 基于MATLAB的信號(hào)相位差的互相函數(shù)求法[J]. 科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2003, 13(7): 149-150 LUO Yingxia, MA Jun, ZHU Qingsong. A method for phase difference measurement with correlation function based on MATLAB[J]. Sci-Tech Information Development & Economy, 2003, 13(7): 149-150

CLCTL503

Research and design of high precision synchronization data acquisition system

ZHU Xiaohui1,2TAN Songqing1LI Rui1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background:Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) is an advanced third-generation synchrotron radiation electron accelerator. The synchrotron radiation devices require the magnets and magnet power supply of high performance, such as high precision and high stability. In the design of a magnet and a magnet power supply, the flux and current signals is required to be measured simultaneously.PurposeIn order to simultaneously measure the two signals with high precision, a high precision synchronization data acquisition system should be designed and implemented.MethodsAn 18-bits, 5 MSPS analog to digital converter of AD7960 is used to realize the high precision data acquisition. The synchronizing trigger signal is produced by Field-Programmable Gate Array (FPGA), which is used to generate the control logic.Results:After the test of effective precision of Analog Digital Converter (ADC) and the synchronization performance, it is resulted that the effective precision of this system is better than 18 bits, and the performance of synchronization is great.ConclusionThe system proposed in this paper satisfies requirements of high precision synchronization data acquisition for SSRF.

Data acquisition system, High precision, Synchronous sampling, Analog Digital Converter (ADC), Ethernet, Magnet power supply

TL503

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110101

朱曉慧，女，1989年出生，2012年畢業(yè)于信陽(yáng)師范學(xué)院，電力電子與自動(dòng)化，信號(hào)與信息處理

2014-06-30，

2014-08-12