摘要：以微控制器LPC1768為核心控制AD7656的采樣電路，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶上準(zhǔn)確時(shí)間標(biāo)記的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用LPC1768片內(nèi)資源SSP0控制AD7656進(jìn)行采樣，并使用片內(nèi)資源RTC，以獲得帶有實(shí)時(shí)時(shí)間標(biāo)示的采樣數(shù)據(jù)。帶時(shí)標(biāo)采樣系統(tǒng)在工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：時(shí)間標(biāo)示；LPC1768；AD7656；RTC；SSP
引言
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)時(shí)常需要帶時(shí)標(biāo)。過(guò)去常外擴(kuò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563，使用I2C接口與控制器相連，來(lái)獲得時(shí)間。該設(shè)計(jì)需要外擴(kuò)硬件資源，并且消耗控制器資源，使用效果不佳。恩智浦(NXP)公司的基于最新ARMv7內(nèi)核的LPC1768，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)
掉電仍可繼續(xù)運(yùn)行，可由自帶的電源引腳VBAT供電，進(jìn)行不間斷地計(jì)時(shí)。數(shù)模采樣模塊采用ADI公司的AD7656，高精度、高速度、高信噪比、良好的實(shí)用性等特點(diǎn)使其成為模／數(shù)轉(zhuǎn)換的極佳選擇。使用LPC1768為控制核心，配合高效的AD7656模／數(shù)芯片，構(gòu)成采樣數(shù)據(jù)帶時(shí)標(biāo)的實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)，在工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有十分廣闊的應(yīng)用前景。
1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 芯片簡(jiǎn)介
Correx系列基于ARM公司的架構(gòu)ARMv7，包括Cortex-A(應(yīng)用處理器)、Cortex-R(實(shí)時(shí)處理器)、Cor-tex-M(微控制器)三個(gè)系列，Cortex-M3是面向低成本、小引腳數(shù)目以及低功耗應(yīng)用，并且具有極高運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力的處理器內(nèi)核。NXP的LPC1768便是基于Cortex-M3的處理器。
如同現(xiàn)在市場(chǎng)上多數(shù)控制器，LPC1768只內(nèi)建了1個(gè)帶8通道的12位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換(少數(shù)芯片如TMS320F2812，帶有2個(gè)8通道12位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)單元的同時(shí)采樣，并且實(shí)際達(dá)到的分辨率也只有9位半，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。使用外擴(kuò)ADIAD7656芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)測(cè)采樣，可廣泛應(yīng)用于輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)等。
1．2 LPCI768芯片電路
硬件系統(tǒng)中，LPC1768FBD1OO作為主控芯片，其主頻最高為100 MHz。LPC1768有3種時(shí)鐘來(lái)源：
①osc-clk，片外時(shí)鐘(主振蕩器)輸入，外部晶振工作在(1～25 MHz)。
②rtc-clk，實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率輸入，實(shí)時(shí)時(shí)鐘本身需要1個(gè)外部晶振(1～32．768 kHz)。
③irc-clk，內(nèi)部振蕩時(shí)鐘(標(biāo)稱頻率4 MHz)，在上電和片上復(fù)位時(shí)使用irc時(shí)鐘，待軟件配置其他時(shí)鐘輸入；irc-clk達(dá)不到USB接口時(shí)間基準(zhǔn)精度要求，要使用USB功能，必須外接更高精度晶振。
圖1為RTC時(shí)鐘時(shí)域的總體設(shè)計(jì)框圖。使用12MHz的外部晶振，通過(guò)鎖相環(huán)倍頻后，以96MHz運(yùn)行。RTC時(shí)鐘輸入RTCXl、RTCX2，外接32.768 kHz晶振，采用獨(dú)立3．3 V電池供電，Vbat輸入端接二極管，防止電池反接造成芯片燒毀。芯片采用3．3 V供電，數(shù)字和模擬之間用O Ω電阻或者合適值的電感(電感值大小和電路設(shè)計(jì)本身有關(guān))隔開(kāi)。
JTAG仿真口接法如圖2所示。
ADI公司的AD7656有多種數(shù)據(jù)傳輸方式可供配置，相對(duì)于LPC1768豐富的串行傳輸方式和很少的I／0數(shù)量，并行傳輸要占用16位或8位數(shù)據(jù)線，占用資源太多。使用帶有8幀4～16位可配置FIFO的SSP總線，使其運(yùn)行在SPI模式下。
LPCI768的SSP同步串行控制器，占用4個(gè)引腳：
①SCK，串行時(shí)鐘線。作為同步時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)，從機(jī)接收，可配置高、低有效只在傳輸過(guò)程中有效；對(duì)應(yīng)引腳為P0．15或P1．20(SSP0使用)，PO．7或P1．31(SSPl使用)。
②SSEL，幀同步／從機(jī)選擇信號(hào)。主機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都會(huì)驅(qū)動(dòng)該信號(hào)，在多個(gè)從機(jī)情況下，可作為片選信號(hào)使用；對(duì)應(yīng)引腳為P0．16或P1．21(SSP0使用)，P0．6(SSP1使用)。
③MISO，Master In Slave Out。當(dāng)SSPn作為主機(jī)時(shí)，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸入；SSPn作為從機(jī)時(shí)，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸出線；SSPn是從機(jī)且未被SSEL選擇時(shí)，引腳處于高阻態(tài)。對(duì)應(yīng)引腳為PO．17或Pl．23(SSP0使用)，P0．8(SSP1使用)。
④MOSI，Master Out Slave In。SSPn是主機(jī)時(shí)，串行數(shù)據(jù)從該引腳輸出；SSPn是從機(jī)時(shí)，該引腳接收主機(jī)輸入的數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)引腳為PO．18或P1．24(SSP0使用)，P0．9(SSPl)。
1．3 AD7656芯片電路
AD7656工作電路如圖3所示，VDD與VSS是芯片模擬量輸入部分的電源，使用+12 V和-12 V(可用電壓范圍為9．5～16．5 V的電源)供電，并使用0．1μF電容和10μF電解電容與模擬地隔開(kāi)；AVCC與AGND是芯片ADC核心的工作電源，使用+5 V電源供電，兩者之間同樣要用0．1 μF電容和10μF電解電容隔開(kāi)；AVCC與DVCC相差不能大于0．3 V，就算短時(shí)間內(nèi)相差大于O．3 V，也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果；VDRIVE引腳是邏輯電源輸入，可以根據(jù)不同的控制芯片或總線電平，來(lái)接不同的邏輯電平，配合LPC1768芯片3．3 V的電平，使用3．3 V電源，并用0．1μF電容和10 μF電解電容與DGND隔開(kāi)；REFCAPC／B／A分別用O．1 μF電容和10 μF電解電容與模擬地隔開(kāi)。
RANGE接高電平，量程為±2×VREF，接低電平，量程為±4×VREF；選擇串行模式下，接高電平3.3V，接DGND；串行數(shù)據(jù)只使用A口傳輸，SEL-A接高電平3．3 V，SEL-B、SEL-C接DGND；不使用菊花鏈功能，將DCIN-C、DCIN-B、DCIN-A引腳接DGND；引腳接高電平3．3 V，持續(xù)工作在標(biāo)準(zhǔn)模式下，接低電平為待機(jī)狀態(tài)；CONVST-A／B／C接LPC1768的MATl．1，有定時(shí)器1的比較器輸出翻轉(zhuǎn)電平控制A／D轉(zhuǎn)換；BUSY引腳在轉(zhuǎn)換開(kāi)始到結(jié)束為高電平，接LPC1768的EINT3，捕獲轉(zhuǎn)換結(jié)束下降沿；SCLK接LPC1768的SSP0的SCK0引腳(選用P1．20)；SDATA接LPC1768的SSP0的MISO0引腳(選用P1．23)。
2 軟件設(shè)計(jì)
在電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中，許多時(shí)候要用到三相電壓電流采樣，并對(duì)每個(gè)周期取128個(gè)采樣值。使用定時(shí)器1產(chǎn)生比較中斷，使用比較中斷的引腳翻轉(zhuǎn)功能，比較值為20 ms／(128×2)，即實(shí)際采樣周期為2×20 ms／(128×2)=20ms／128。當(dāng)比較輸出翻轉(zhuǎn)至高電平時(shí)，CONVST-A／B／C
置高，開(kāi)始采樣，同時(shí)BUSY引腳電平置高；轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY引腳置低，EINT3設(shè)置下降沿中斷，捕獲其下降沿，進(jìn)入中斷；中斷服務(wù)程序讀取RTC值和打開(kāi)SSP0讀取ADC值，程序流程如圖4所示。
2．1 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序
LPC1768 RTC擁有秒、分、小時(shí)、日期值(周期為月、值1～31)、星期值、日期值(周期為年、值1～365)、月值、年值寄存器，對(duì)每個(gè)寄存器設(shè)置需要的值。RTC中斷分為2種——計(jì)數(shù)器增量中斷(CIIR)和報(bào)警中斷。
計(jì)數(shù)器增量中斷：RTC中8個(gè)寄存器，使能任意一個(gè)時(shí)間值的中斷(秒中斷、分中斷等)，那么該時(shí)間值計(jì)數(shù)器每增加1次，就產(chǎn)生1次中斷；
報(bào)警中斷：使能8個(gè)寄存器的任意一個(gè)或者幾個(gè)計(jì)數(shù)中斷使能，當(dāng)所有未屏蔽寄存器的值與當(dāng)前時(shí)間寄存器的值匹配時(shí)，產(chǎn)生中斷。
RTC功能模塊框圖如圖5所示。
下面是秒增量中斷的例子。
2．2 AD7656與LPC1768 SSPO通信程序
配置LPC1768 SSP0為SPI模式，每幀傳輸16位數(shù)據(jù)，自動(dòng)接收6幀數(shù)據(jù)。程序如下：
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了基于ARM Cortex-M3的芯片LPC1768FBl00和16位A／D芯片AD7656的工作原理，設(shè)計(jì)了基于AD7656與LPC1768串行通信的采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)帶上時(shí)標(biāo)的設(shè)計(jì)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)狀態(tài)提供了可行方案。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境，該系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定性方面有待于提高。