摘要：I/F轉(zhuǎn)換器即電流頻率轉(zhuǎn)換器，是一種將輸入電流信號(hào)按固定的線性比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為輸出頻率信號(hào)的設(shè)備或器件。本文鑒于模擬I/F轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有所限制，設(shè)計(jì)基于ADuC847的I/F轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)是將輸入的雙極性電流信號(hào)調(diào)理成單極性的模擬電壓信號(hào)，并經(jīng)ADuC847的片內(nèi)集成24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為單極性的數(shù)字信號(hào)。濾波歸零后的雙極性數(shù)字信號(hào)通過計(jì)算線性比例系數(shù)得出輸出頻率值，頻率信號(hào)由ADuC847單片機(jī)的PWM0輸出。

關(guān)鍵字：ADuC847；I/F轉(zhuǎn)換器；數(shù)字滑動(dòng)濾波算法；頻率合成算法

The design of the current-frequency converter based on the ADuC847

Yu Lei, Wang Yanping

(Qingdao University of Science and Technology College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao 266042)

Abstract:I/F converter - the current frequency converter, is the equipment or device of putting an input current signal to convert the output frequency signal with a fixed linear proportional relationship. In view of the limit of the analog I/F converter in conversion accuracy, we design the I/F converter based on the ADuC847.First,we convert the bipolar current input signal into a unipolar analog voltage signal ,and ADuC847 chip with integrates 24 sigma-delta analog-to-digital converts the voltage signal into a unipolar digital signal. After digital signal filtering and zeroing, we get the bipolar output frequency value by calculating the coefficient of linear proportion, and the frequency signal output from the PWM0 of the ADuC847 microcontroller.

Key words:ADuC847; current-frequency converter; Digital slide filtering algorithm; Frequency synthesis algorithm

I/F轉(zhuǎn)換器即電流頻率轉(zhuǎn)換器是一種將輸入電流信號(hào)按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為輸出頻率信號(hào)的器件，它廣泛應(yīng)用在航空航天，遙感遙測(cè)，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集通信^[1]，工業(yè)領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域等方面，尤其是軍事領(lǐng)域?qū)/F轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有較高的要求。以往的I/F轉(zhuǎn)換器以模擬電路為主，由于模擬電路各種噪聲溫漂的影響，在轉(zhuǎn)換精度提高方面有所限制，即使采用補(bǔ)償方式^[2]，轉(zhuǎn)換精度也才十萬分之六七。隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，國外已經(jīng)有了專用的集成電流頻率轉(zhuǎn)換芯片。本文針對(duì)模擬I/F轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換精度方面的不足，設(shè)計(jì)基于ADuC847單片機(jī)的I/F轉(zhuǎn)換器，該I/F轉(zhuǎn)換器大部分采用集成器件，通過軟件實(shí)現(xiàn)I/F轉(zhuǎn)換的功能。

1 I／F轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

 該轉(zhuǎn)換器由4部分組成：電流輸入及調(diào)理電路、ADuC847主控電路、PWM頻率輸出電路以及供電電路組成?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 I/F轉(zhuǎn)換器的總體框圖

Fig.1 Overall block diagram of current-frequency converter

1.2 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是當(dāng)輸入電流信號(hào)為-60mA～+60mA時(shí)，輸出頻率信號(hào)為-100KHz～+100KHz，性能要求為轉(zhuǎn)換精度要小于十萬分之五，輸出頻率相對(duì)穩(wěn)定，以及輸出頻率信號(hào)能夠較快地跟蹤輸入電流信號(hào)。

1.2.1 電流輸入及調(diào)理電路

 輸入電流（-60mA～60mA）流經(jīng)精密電阻（R1和R2），轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)（-6V～+6V）。該模擬電壓信號(hào)為雙極性的，AD8275可將該雙極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號(hào)Vout（0.05～2.45V）。R3和C1組成的積分電路起低通濾波作用。電流輸入及調(diào)理電路的電路原理圖如圖2所示，圖3為AD8275的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)^[3]。

圖2 電流輸入及調(diào)理電路

Fig.2 Current input and conditioning circuit

圖3 AD8275內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Fig.3 The internal structure of AD8275

由圖2和圖3可以計(jì)算出輸入電流與單極性模擬電壓Vout的關(guān)系：

Vout = 20 * Iin + 0.5 * Vref_2.5V = 20 * Iin + 1.25        (1)

當(dāng)輸入電流為-60mA～+60mA時(shí)，AD8275的輸出Vout為：0.05V～2.45V。當(dāng)輸入電流為0mA時(shí)，Vout = 1.25V。

1.2.2 ADuC847主控電路

 ADuC847是ADI公司高性能8052內(nèi)核單片機(jī)^[4]，該單片機(jī)集成片上高性能、低漂移的10通道單極性或5通道雙極性24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器以及兩通道16位PWM模塊。ADuC847還具有高達(dá)62KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器和2304 Byte的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。大容量的存儲(chǔ)器為I/F轉(zhuǎn)換器的算法實(shí)現(xiàn)提供了保障。

ADuC847主控電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓V_IN的AD轉(zhuǎn)換，將單極性模擬電壓信號(hào)V_IN（0.05V～2.45V）轉(zhuǎn)換成24位單極性數(shù)字量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣信號(hào)V_IN數(shù)字量的濾波和歸零處理，使數(shù)字信號(hào)可靠穩(wěn)定。通過計(jì)算線性比例系數(shù)K，使ADuC847的PWM0輸出頻率信號(hào)。圖4只畫出與本設(shè)計(jì)相關(guān)的部分。

圖4 ADuC847相關(guān)電路連接

Fig.4 Relevant circuit connection of ADuC847

1.2.3 PWM頻率輸出電路

 頻率信號(hào)由PWM0引腳輸出，T0起計(jì)數(shù)作用，/INT0即SIGN反映頻率輸出的通道。74LS00為4個(gè)2輸入與非門。由圖5得知，當(dāng)SIGN = 1（高電平）時(shí)，F(xiàn)out-始終為高電平，而Fout+輸出頻率，即正通道；當(dāng)SIGN = 0（低電平）時(shí)，F(xiàn)out+始終為高電平，而Fout-輸出頻率，即負(fù)通道，從而實(shí)現(xiàn)頻率輸出的雙極性。

圖6 PWM頻率輸出電路

Fig.6 PWM frequency output circuit

1.2.4 供電電路

外部輸入直流IN_+5V電源，該電源除了提供給AD8275、ADuC847以及74LS00芯片外，還給ADR421供電，以產(chǎn)生低漂移的+2.5V基準(zhǔn)參考電壓，即Vref_2.5V。應(yīng)當(dāng)注意：應(yīng)該在每個(gè)芯片的每對(duì)電源和地引腳間接1個(gè)0.1uF的電容，起到電源濾波作用。

圖7 供電電路

Fig.7 Power supply circuit

2 I/F轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括初始化模塊、AD采集及數(shù)字濾波模塊、頻率計(jì)算模塊以及數(shù)字頻率合成模塊。

2.1 初始化模塊

初始化模塊包括ADC的初始化、T0、TIC以及PWM0、PWM1的初始化。ADC采用單極性模式，片內(nèi)PGA = 1，即0～2.56V范圍，以及設(shè)置SF = 82，具有50Hz和60Hz陷波作用^[5]，采樣頻率設(shè)為16.65Hz.。T0初始化為16位計(jì)數(shù)器模式，TIC初始化為1/16s時(shí)間間隔定時(shí)器模式，PWM0和PWM1初始化為模式1，可變占空比模式。

2.2 AD采集及數(shù)字濾波模塊

該設(shè)計(jì)采用的是將雙極性模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性模擬電壓信號(hào)，該單極性模擬電壓經(jīng)AD采樣變?yōu)閿?shù)字量。由于AD轉(zhuǎn)換采用單極性模式，所以需要進(jìn)行AD值歸零處理。即當(dāng)輸入電流為0mA時(shí)，獲得的AD采樣值為ZERO_OFFSET，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要將采集的AD值減去ZERO_OFFSET，以實(shí)現(xiàn)AD采樣值的雙極性。可以通過濾波后獲得穩(wěn)定的ZERO_OFFSET。

為了獲得穩(wěn)定的AD采樣值，需要對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波，本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字滑動(dòng)平均濾波算法^[6]。所謂數(shù)字滑動(dòng)平均濾波，就是新采樣值和過去的N-1個(gè)采樣值一起求平均，每新采集一個(gè)數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū)，同時(shí)去掉一個(gè)最老的數(shù)據(jù)，保持這N個(gè)數(shù)據(jù)始終是最新的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)定義N+1個(gè)存儲(chǔ)空間，新采樣值存于第i%(N+1)個(gè)空間，每次采樣都加上新采樣值并減去第(i+1)%(N+1)個(gè)存儲(chǔ)空間上的采樣值，加和再除以N得平均值，即為濾波后的值。

2.3 頻率計(jì)算

線性比例系數(shù)K的計(jì)算：當(dāng)輸入電流為0mA時(shí)，可以獲得AD采樣值為0(歸零)，當(dāng)輸入電流為60mA時(shí)，可以獲得AD采樣值為AD_60mA，則

K = 100000/(AD_60mA – 0) = 100000/AD_60mA

輸出頻率Fout = ADC_Value * K;

2.4 數(shù)字頻率合成

計(jì)算得到的輸出頻率Fout，若Fout>=0，則SIGN = 1，頻率從Fout+輸出；若Fout < 0，則SIGN = 0，頻率從Fout-輸出。

由于T0是16位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值為65536，故輸出100KHz的頻率至少需要分2次計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)采用1/16s即16次計(jì)數(shù)方式。算法描述如下：

計(jì)算得到的輸出頻率Fout，除以16，取整為Fre，精確值為Fre_P，每1/16s時(shí)間內(nèi)PWM0發(fā)Fre個(gè)脈沖，T0計(jì)數(shù)，當(dāng)T0計(jì)數(shù)值達(dá)到Fre時(shí)，停止PWM0，并計(jì)算修正值。因?yàn)槊?/16s發(fā)Fre個(gè)脈沖，少發(fā)了Fre_P – Fre個(gè)脈沖（小于1個(gè)），當(dāng)多次累加到1個(gè)脈沖時(shí)，F(xiàn)re+1，從而可以精確控制輸出脈沖的個(gè)數(shù)。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

程序執(zhí)行一次循環(huán)需要1/16s，在這1/16s的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)需要采集AD值，并進(jìn)行濾波和歸一化處理以及計(jì)算輸出頻率值和每次循環(huán)所需要發(fā)的脈沖值及其精確值，等T0計(jì)數(shù)值達(dá)到Fre是，停止PWM，并計(jì)算修正值，然后等待1/16s時(shí)間到，重新開始新的循環(huán)，濾波階數(shù)設(shè)為16，輸出脈沖能夠較快的跟蹤輸入電流的變化。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

Fig.8 System software flow chart

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

結(jié)合模擬I/F轉(zhuǎn)換器的計(jì)算非線性度的公式，測(cè)試計(jì)算得出I/F轉(zhuǎn)換器的非線性度，如下表所示：

表1 I/F轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度測(cè)試計(jì)算數(shù)據(jù)

Tab.1 Conversion accuracy test data of I/F converter

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用的濾波算法可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換精度要求，當(dāng)提高輸出頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)K將會(huì)增大，即1Hz對(duì)應(yīng)的AD值將會(huì)減小，因此需要采用更好的數(shù)字濾波算法，方能保證轉(zhuǎn)換精度達(dá)到要求，以后的重點(diǎn)工作是設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波算法，以提高輸出了頻率。

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