CN110611507A - 一种具有全范围动态自检功能的a/d转换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置及方法，所述的装置包括MCU芯片、FPGA芯片、基准电压产生电路、二选一选择器和A/D转换电路，所述的基准电压产生电路的输入端与FPGA芯片的输出端连接，所述的基准电压产生电路的输出端和FPGA芯片的输出端分别与二选一选择器的输入端连接，所述的二选一选择器的输出端、FPGA芯片的输出端分别与A/D转换电路的输入端连接，所述的A/D转换电路的输出端与MCU芯片的输入端连接，所述的MCU芯片的输出端与FPGA芯片的输入端连接。与现有技术相比，本发明具有高集成度、高精度且具有全范围动态自检功能等优点。

Description

一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置及方法
技术领域
本发明涉及一种A/D转换装置及方法，尤其是涉及一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置及方法。
背景技术
在地铁车辆的运行过程中，需要有效的检测车辆信号设备的运行状态。传统的车辆信号设备检测方法是对信号设备的电平范围进行定性检测，一般规定大于高门限电压(比如最高电平的0.7倍)区分为高电平，低于低门限电压(比如最高电平的0.3倍)区分为低电平。当输入电平位于高低门限电压之间时(比如大于0.3倍小于0.7倍)，电路无法区分，只能视为噪声。随着轨道交通方式的不断发展，相应的信号设备也有了长足进步，仅仅对信号电平范围进行定性检测已经渐渐不满足我们的要求，我们需要对信号设备的电平范围有一个定量的检测，因此就需要在检测电路中引入A/D转换装置。
当前，常见的A/D转换装置存在以下技术缺陷：
传统的A/D转换装置由于设计限制，一般在一个装置中的A/D转换电路数量都十分有限，集成度不高，不适用地铁车辆这种需要检测大量车辆信号设备状态的场合；
传统的A/D转换装置通常不具备错误检测功能，无法得知装置本身是否出现故障，而在出现故障的情况下，A/D转换装置很可能会将错误的信息送给系统，无法正确识别出车辆当前状态，进而降低系统可用性，甚至影响行车安全；
随着技术的进步，部分A/D转换装置已经引入了自检功能，但采用的自检技术都是针对一个固定的基准电压进行自检，与实际工作情况不一致，所以自检的有效性不高；
在实际使用中，由于材质的特性，A/D转换装置在长时间运行后，有一定的机率因老化而导致漏电流变大，从而A/D转换的精度变差，对此问题一直没有有效的解决手段。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高集成度、高精度的具有全范围动态自检功能的A/D转换装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，包括MCU芯片、FPGA芯片、基准电压产生电路、二选一选择器和A/D转换电路，所述的基准电压产生电路的输入端与FPGA芯片的输出端连接，所述的基准电压产生电路的输出端和FPGA芯片的输出端分别与二选一选择器的输入端连接，所述的二选一选择器的输出端、FPGA芯片的输出端分别与A/D转换电路的输入端连接，所述的A/D转换电路的输出端与MCU芯片的输入端连接，所述的MCU芯片的输出端与FPGA芯片的输入端连接。
优选地，所述的MCU芯片用于整体功能实现，对A/D输出数字量进行判断后发送给上位机。
优选地，所述的FPGA芯片根据MCU的控制命令，在指定时刻发送数字量给基准电压产生电路，并且发送选通信号给二选一选择器，发送片选信号给A/D转换电路。
优选地，所述的基准电压产生电路用于产生用于自检的基准电压，根据FPGA发过来的数字量转换成基准电压送给二选一选择器。
优选地，所述的基准电压产生电路包括依次连接的D/A转换芯片、分压电路和电压跟随器；
其中分压电路包括依次连接电阻R1和电阻R2，所述的电阻R1与D/A转换芯片连接，所述的电压跟随器包括第一运算放大器和电阻R3，所述的电阻R3并联在第一运算放大器的输入端和输出端之间，所述的第一运算放大器的输入端接在电阻R1和电阻R2之间；
所述的D/A转换芯片输出的模拟电压信号需经分压整形后输出，其中电阻R1和电阻R2构成了分压电路，该分压电路的放大倍数为R2/(R1+R2)；。根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和电阻R2的阻值，使得当FPGA芯片输出数字量0xFFF时，基准电压产生电路输出的基准电压的大小正好与待检测模拟电压的最大值相同，这样FPGA芯片输出数字量范围0x000～0xFFF，就与待检测模拟电压的范围保持一致，从而就能够实现全范围动态自检功能。
优选地，所述的二选一选择器根据FPGA芯片发送的选通信号，将基准电压或者待检测电压发送给A/D转换电路。
优选地，所述的A/D转换电路负责模拟量到数字量的转换功能，把输入模拟电压值转换成数字量，然后送给MCU芯片。
优选地，所述的A/D转换电路包括依次连接的电压输入端、负反馈放大电路、A/D转换芯片和SPI接口；
所述的负反馈放大电路包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述的电压输入端通过电阻R4与第二运算放大器的一输入端连接，所述的第二运算放大器的另一输入端分别与电阻R5一端、电阻R6一端连接，所述的电阻R5另一端接地，所述的电阻R6另一端与第二运算放大器的输出端连接，所述的第二运算放大器的输出端与A/D转换芯片输入端连接；
模拟电压在输入A/D转换芯片前，需要经过负反馈放大电路，该负反馈放大电路的放大倍数为(R5+R6)/R5，根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和R2的阻值，使得待检测模拟电压的最大值放大(R5+R6)/R5倍后，正好与A/D转换芯片的参考电压VREF相等。
优选地，所述的MCU芯片通过内部的PMP模块对FPGA芯片进行访问，所述的PMP模块是MCU的一个16位并行I/O模块，专用于与通信外设、LCD、外部存储器件以及FPGA的多种并行器件进行通信。
一种采用所述的具有全范围动态自检功能的A/D转换装置的方法，包括以下步骤：
步骤1，装置启动后，MCU芯片进行初始化操作；
步骤2，MCU芯片初始化结束后，就开始进入自检操作，MCU芯片会发送基准电压设置命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和第1个基准电压值对应的数字量0x0FF，FPGA芯片收到该命令后，就会将基准电压值对应的数字量0x0FF发送到基准电压产生电路，然后经过基准电压产生电路的D/A转换和分压整形，最后就产生数字量0x0FF对应的基准电压值1.5V/16＝0.09375V；
步骤3，MCU芯片会发送选择器选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路选择器的选通信号Select_1置为逻辑1，使得第1路选择器会将输出选通到基准电压；
步骤4，MCU芯片会发送AD芯片选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路A/D芯片的片选信号CS_1置为逻辑1，接着MCU就通过SPI接口采集第1路A/D芯片的数据；
步骤5，针对该基准电压，MCU芯片判断是否已经完成了对所有24路A/D转换电路的自检，如果24路全部完成了自检则进入步骤6；否则返回步骤3，同时将选择器选通命令和AD芯片选通命令中的数据左移1位，也就是继续对下一路A/D转换电路进行自检；
步骤6，MCU芯片判断是否已经完成了所有16个基准电压值的自检，如果16个基准电压值的自检已全部完成则进入步骤7；否则返回步骤2，同时将基准电压设置命令中的数字量设定为下一个基准电压值；
步骤7，自检结束，MCU芯片会发送自检完成命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到自检完成命令后，会执行以下操作：(1)发送数字量0x000到基准电压产生电路，清零基准电压值；(2)将24路选择器的选通信号全部置为逻辑0，使得选择器都将输出选通到待检测电压；(3)将A/D芯片的片选信号全部置为逻辑0；
步骤8，MCU芯片会先进行一次数据采集，由于此刻A/D芯片的片选信号是全部置为逻辑0的，所以采集到的数据就是漏流值，漏流检测通过，则MCU芯片会发送数字量采集命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到数字量采集命令后，会将第24路A/D芯片的片选信号依次有效，使得MCU芯片可轮询采集24路A/D芯片的数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、可以同时对24路模拟电压进行A/D转换，集成度高，十分适用于地铁车辆这种需要检测大量车辆信号设备状态的场合；
2、装置中的24路A/D转换电路都是挂在SPI总线上，MCU只需要通过一个SPI端口就可以采集24路A/D转换数据，节省了MCU的管脚资源；
3、引入全范围动态自检技术，基准电压是动态可调整的，可以覆盖待检测模拟电压的整个范围，检出A/D转换装置的故障后可及时报警，避免因A/D转换装置故障造成误操作；
4、引入漏流检测技术，可实时检出A/D转换装置的漏流故障，防止A/D转换装置在长时间运行后，因老化出现的漏电流变大，而使得A/D转换的精度变差。
附图说明
图1为本发明A/D转换装置的结构示意图；
图2为本发明基准电压产生电路的电路图；
图3为本发明A/D转换电路的电路图；
图4为本发明A/D转换装置的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明具有全范围动态自检功能的A/D转换装置主要包含以下几个关键部分：MCU芯片、FPGA芯片、基准电压产生电路、二选一选择器和A/D转换电路。
各部分的功能如下。
MCU芯片：负责整体功能实现，对A/D输出数字量进行判断后发送给上位机。
FPGA芯片：根据MCU的控制命令，在指定时刻发送数字量给基准电压产生电路，并且发送选通信号给二选一选择器，发送片选信号给A/D转换电路。
基准电压产生电路：用于产生用于自检的基准电压，根据FPGA发过来的数字量转换成基准电压送给二选一选择器。
二选一选择器：根据FPGA发送的选通信号，将基准电压或者待检测电压发送给A/D转换电路。
A/D转换电路：负责模拟量到数字量的转换功能，把输入模拟电压值转换成数字量，然后送给MCU。
如图2所示，为基准电压产生电路。其中包含了：D/A转换芯片、电阻R1和R2构成的分压电路、运算放大器和R3构成的电压跟随器。
FPGA输出的信号本身为数字信号，代表所需输出的电压大小，为正确转换成所需的模拟基准电压，需设计D/A转换。D/A转换芯片选用12位精度，采用SPI接口串行输入，SPI接口的时钟及使能信号均由FPGA送出，其D/A转换关系如表1所示。
表1
D/A转换输出的模拟电压信号需经分压整形后，才能输出。其中，电阻R1和R2构成了分压电路，该分压电路的放大倍数为R2/(R1+R2)。根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和R2的阻值，使得当FPGA输出数字量0xFFF时，基准电压产生电路输出的基准电压的大小正好与待检测模拟电压的最大值相同，这样FPGA输出数字量范围0x000～0xFFF，就与待检测模拟电压的范围保持一致，从而就能够实现本发明所提出的全范围动态自检功能。
如图3所示，为A/D转换电路示意图。其中包含了：A/D转换芯片、运算放大器与电阻R4，R5，R6一起构成的负反馈放大电路。
A/D转换芯片选用12位精度，采用12位SPI接口串行输出，SPI接口的时钟及使能信号均由MCU送出，其A/D转换关系如表2所示。
表2
模拟电压在输入A/D芯片前，需要经过运算放大器与电阻R4，R5，R6构成的负反馈放大电路，该放大电路的放大倍数为(R5+R6)/R5。根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和R2的阻值，使得待检测模拟电压的最大值放大(R5+R6)/R5倍后，正好与A/D芯片的参考电压VREF相等，这样可以进一步提高A/D转换的精度。
MCU芯片通过内部的PMP模块对FPGA芯片进行访问。
PMP(Parallel Master Port，并行主端口)是MCU的一个16位并行I/O模块，专用于与通信外设、LCD、外部存储器件以及FPGA等多种并行器件进行通信。由于并行外设接口的多样化，PMP模块具有高度可配置性。
PMP模块的主要特性包括：
最多16条可编程地址线；
最多2条片选线；
可编程选通选项；
地址自动递增/自动递减；
可编程地址/数据复用；
可编程控制信号的极性；
支持传统并行从端口；
支持增强型并行从端口；
施密特触发器或TTL输入缓冲器；
可编程等待状态。
本发明的基本工作原理如下：
本发明提供的A/D转换装置在上电时会进行全范围动态自检，只有自检通过才能执行后续的A/D转换功能，若自检失败，则会产生报警信息，并且装置停止工作。同时根据实际应用环境的不同，也可以让A/D转换装置在运行过程中周期性的进行全范围动态自检，从而实时检测出装置中的故障。
本发明提供的A/D转换装置在进行A/D转换过程中，MCU会采用轮询的方式依次对24路A/D转换电路进行数据采集。在每次轮询之前，MCU都会先进行一次漏流检测，只有漏流检测的值满足要求时，才会执行后续的数据采集，否则会产生报警信息，并且装置停止工作。
假设待检测模拟电压的范围为0V～1.5V，D/A芯片与A/D芯片的参考电压VREF为3.3V，可计算得到基准电压产生电路中的R2/(R1+R2)＝1.5V/3.3V，A/D转换电路中的(R5+R6)/R5＝3.3V/1.5V，因此电阻的阻值选取如下：R1＝3KΩ，R2＝3.6KΩ，R5＝3KΩ，R6＝3.6KΩ。
设定需要进行自检的基准电压值数量为16，则这16个基准电压的数字量和模拟量的对应关系如表3所示。
表3
数字量 模拟量 数字量 模拟量
0x0FF 0.09375V 0x8FF 0.84425V
0x1FF 0.1875V 0x9FF 0.938V
0x2FF 0.28125V 0xAFF 1.03175V
0x3FF 0.375V 0xBFF 1.1255V
0x4FF 0.46875V 0xCFF 1.21925V
0x5FF 0.5625V 0xDFF 1.313V
0x6FF 0.65675V 0xEFF 1.40675V
0x7FF 0.75V 0xFFF 1.5V
如图4所示，一种具有全范围动态自检功能的A/D转换方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，装置启动后，MCU进行初始化操作，包括：配置锁相环、配置所有端口为数字端口、中断初始化、PMP模块初始化、SPI总线初始化，最后还是设定需要进行自检的基准电压值数量，假设数量设为16；
步骤2，MCU初始化结束后，就开始进入自检操作。MCU会发送set_voltage(基准电压设置)命令给FPGA，命令中会包含命令编码和第1个基准电压值对应的数字量0x0FF。FPGA收到该命令后，就会将基准电压值对应的数字量0x0FF发送到基准电压产生电路，然后经过基准电压产生电路的D/A转换和分压整形，最后就产生数字量0x0FF对应的基准电压值1.5V/16＝0.09375V；
步骤3，MCU会发送choose_mux(选择器选通)命令给FPGA，命令中会包含命令编码和数据0x000001。FPGA收到该命令后就会将第1路选择器的选通信号Select_1置为逻辑1，使得第1路选择器会将输出选通到基准电压；
步骤4，MCU会发送choose_AD(AD芯片选通)命令给FPGA，命令中会包含命令编码和数据0x000001。FPGA收到该命令后就会将第1路A/D芯片的片选信号CS_1置为逻辑1，接着MCU就通过SPI接口采集第1路A/D芯片的数据；
步骤5，针对该基准电压，MCU判断是否已经完成了对所有24路A/D转换电路的自检，如果24路全部完成了自检则进入步骤6；否则返回步骤3，同时将choose_mux(选择器选通)命令和choose_AD(AD芯片选通)命令中的数据左移1位，也就是继续对下一路A/D转换电路进行自检；
步骤6，MCU判断是否已经完成了所有16个基准电压值的自检，如果16个基准电压值的自检已全部完成则进入步骤7；否则返回步骤2，同时将set_voltage(基准电压设置)命令中的数字量设定为下一个基准电压值；
步骤7，自检结束，MCU会发送test_done(自检完成)命令给FPGA，FPGA收到test_done(自检完成)命令后，会执行以下操作：(1)发送数字量0x000到基准电压产生电路，清零基准电压值；(2)将24路选择器的选通信号全部置为逻辑0，使得选择器都将输出选通到待检测电压；(3)将A/D芯片的片选信号全部置为逻辑0；
步骤8，MCU会先进行一次数据采集，由于此刻A/D芯片的片选信号是全部置为逻辑0的，所以采集到的数据就是漏流值。漏流检测通过，则MCU会发送data_sample(数字量采集)命令给FPGA，FPGA收到data_sample(数字量采集)命令后，会将第24路A/D芯片的片选信号依次有效，使得MCU可以轮询采集24路A/D芯片的数据。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，包括MCU芯片、FPGA芯片、基准电压产生电路、二选一选择器和A/D转换电路，所述的基准电压产生电路的输入端与FPGA芯片的输出端连接，所述的基准电压产生电路的输出端和FPGA芯片的输出端分别与二选一选择器的输入端连接，所述的二选一选择器的输出端、FPGA芯片的输出端分别与A/D转换电路的输入端连接，所述的A/D转换电路的输出端与MCU芯片的输入端连接，所述的MCU芯片的输出端与FPGA芯片的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的MCU芯片用于整体功能实现，对A/D输出数字量进行判断后发送给上位机。
3.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的FPGA芯片根据MCU的控制命令，在指定时刻发送数字量给基准电压产生电路，并且发送选通信号给二选一选择器，发送片选信号给A/D转换电路。
4.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的基准电压产生电路用于产生用于自检的基准电压，根据FPGA发过来的数字量转换成基准电压送给二选一选择器。
5.根据权利要求4所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的基准电压产生电路包括依次连接的D/A转换芯片、分压电路和电压跟随器；
其中分压电路包括依次连接电阻R1和电阻R2，所述的电阻R1与D/A转换芯片连接，所述的电压跟随器包括第一运算放大器和电阻R3，所述的电阻R3并联在第一运算放大器的输入端和输出端之间，所述的第一运算放大器的输入端接在电阻R1和电阻R2之间；
所述的D/A转换芯片输出的模拟电压信号需经分压整形后输出，其中电阻R1和电阻R2构成了分压电路，该分压电路的放大倍数为R2/(R1+R2)；根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和电阻R2的阻值，使得当FPGA芯片输出数字量0xFFF时，基准电压产生电路输出的基准电压的大小正好与待检测模拟电压的最大值相同，这样FPGA芯片输出数字量范围0x000～0xFFF，就与待检测模拟电压的范围保持一致，从而就能够实现全范围动态自检功能。
6.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的二选一选择器根据FPGA芯片发送的选通信号，将基准电压或者待检测电压发送给A/D转换电路。
7.根据权利要求5所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的A/D转换电路负责模拟量到数字量的转换功能，把输入模拟电压值转换成数字量，然后送给MCU芯片。
8.根据权利要求1或8所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的A/D转换电路包括依次连接的电压输入端、负反馈放大电路、A/D转换芯片和SPI接口；
所述的负反馈放大电路包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述的电压输入端通过电阻R4与第二运算放大器的一输入端连接，所述的第二运算放大器的另一输入端分别与电阻R5一端、电阻R6一端连接，所述的电阻R5另一端接地，所述的电阻R6另一端与第二运算放大器的输出端连接，所述的第二运算放大器的输出端与A/D转换芯片输入端连接；
模拟电压在输入A/D转换芯片前，需要经过负反馈放大电路，该负反馈放大电路的放大倍数为(R5+R6)/R5，根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和R2的阻值，使得待检测模拟电压的最大值放大(R5+R6)/R5倍后，正好与A/D转换芯片的参考电压VREF相等。
9.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的MCU芯片通过内部的PMP模块对FPGA芯片进行访问，所述的PMP模块是MCU的一个16位并行I/O模块，专用于与通信外设、LCD、外部存储器件以及FPGA的多种并行器件进行通信。
10.一种采用权利要求1所述的具有全范围动态自检功能的A/D转换装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，装置启动后，MCU芯片进行初始化操作；
步骤2，MCU芯片初始化结束后，就开始进入自检操作，MCU芯片会发送基准电压设置命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和第1个基准电压值对应的数字量0x0FF，FPGA芯片收到该命令后，就会将基准电压值对应的数字量0x0FF发送到基准电压产生电路，然后经过基准电压产生电路的D/A转换和分压整形，最后就产生数字量0x0FF对应的基准电压值1.5V/16＝0.09375V；
步骤3，MCU芯片会发送选择器选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路选择器的选通信号Select_1置为逻辑1，使得第1路选择器会将输出选通到基准电压；
步骤4，MCU芯片会发送AD芯片选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路A/D芯片的片选信号CS_1置为逻辑1，接着MCU就通过SPI接口采集第1路A/D芯片的数据；
步骤5，针对该基准电压，MCU芯片判断是否已经完成了对所有24路A/D转换电路的自检，如果24路全部完成了自检则进入步骤6；否则返回步骤3，同时将选择器选通命令和AD芯片选通命令中的数据左移1位，也就是继续对下一路A/D转换电路进行自检；
步骤6，MCU芯片判断是否已经完成了所有16个基准电压值的自检，如果16个基准电压值的自检已全部完成则进入步骤7；否则返回步骤2，同时将基准电压设置命令中的数字量设定为下一个基准电压值；
步骤7，自检结束，MCU芯片会发送自检完成命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到自检完成命令后，会执行以下操作：(1)发送数字量0x000到基准电压产生电路，清零基准电压值；(2)将24路选择器的选通信号全部置为逻辑0，使得选择器都将输出选通到待检测电压；(3)将A/D芯片的片选信号全部置为逻辑0；
步骤8，MCU芯片会先进行一次数据采集，由于此刻A/D芯片的片选信号是全部置为逻辑0的，所以采集到的数据就是漏流值，漏流检测通过，则MCU芯片会发送数字量采集命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到数字量采集命令后，会将第24路A/D芯片的片选信号依次有效，使得MCU芯片可轮询采集24路A/D芯片的数据。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022156296A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 上海国微思尔芯技术股份有限公司 一种组网检测方法及系统

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