摘 要： 介紹了12 bit同步高速模數轉換器THS1207的基本原理及工作特性，重點對THS1207在電動車無刷直流電機中的應用做了具體研究，給出了相關硬件電路圖和軟件設計流程，為電動車無刷直流電機控制器的性能測試做了很好的準備。
關鍵詞： 高速模數轉換器；THS1207；無刷直流電機
伴隨著城市化進程，人們生活的交通距離不斷擴大，代替自行車的電動車的普及大幅度地提高了電力資源的利用效率，促進了國民經濟的健康發展。電動自行車以電力作動力，騎行中不產生污染，無損于空氣質量。而控制器是電動車控制系統的核心，控制器性能的好壞直接影響電動車的質量。為了能夠正確評價電動車控制器的性能，就需要設計出一種能夠檢測控制器相關參數的采集系統，為電動車驅動系統的發展和改善提供科學依據。
目前，大部分電動車所配的電機是無刷直流電機，本文以STC12C5A60S2單片機作為檢測系統的CPU，它具有高速、低功耗和超強抗干擾等優點，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度卻比普通8051單片機快8~12倍。THS1207是TI公司生產的高速多通道同步采樣模數轉換器（ADC），配合STC12C5A60S2單片機可以采集到無刷直流電機在高速運轉情況下的相關參數。
1 采集系統總體設計
1.1 基本設計思想
本系統是以電動車無刷直流電機控制器檢測為背景，經研究證明，電動車無刷直流電機在空載情況下，最高轉速可以達到450 r/min，電動車PWM頻率為15 kHz，要想在這么快的情況下采集到電動車運行時的參數，就必須利用多通道高速ADC進行同步采樣。本系統的“同步”包括兩點：（1）對多路輸入信號在同一時刻進行采樣；（2）針對周期信號，得到周期波形同步信號，以此同步信號為基準，在一個周期內對信號進行N點均勻采樣。
本系統先是利用磁粉制動器搭建的實驗平臺，利用光電碼、扭矩傳感器盤和霍爾電流傳感器等來采集電機轉速、扭矩、控制器的輸入總電流和總電壓；采集完成后，傳感器將電流電壓等信號送入前端信號調理電路，由信號調理電路完成對信號的放大和濾波等；然后將數據送入ADC進行轉換，轉換后的數據由單片機控制讀入并進行實時濾波預處理；待采集完成后，通過串口將數據送入上位機實時顯示。系統總體框架圖如圖1所示。
1.2 STC12C5A60S2芯片介紹
STC12C5A60S2單片機是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號片上系統，是一種針對電機控制的增強型8051單片機。它的主要特性有：（1）工作電壓：3.3 V~5.5 V；（2）高速：1個時鐘/機器周期；（3）工作頻率為0~35 MHz，相當于普通8051的0~420 MHz；（4）片上集成12 080 B RAM；（5）有EEPROM功能；（6）通用I/O口，可設置成4種模式：準雙向/弱上拉，強推免/強上拉，每個I/O口驅動能力可達到20 mA，但整個芯片最大不能超過55 mA；（7）4個16位定時器，8通道、10 bit高速ADC，2路PWM，還可以當DAC使用，2通道捕獲單元和2通道比較單元；（8）加密性強，無法解密；（9）超強抗干擾，整機通過20 kV靜電測試；（10）超低功耗：掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池。STC12C5A60S2單片機管腳圖如圖2所示。
1.3 高速ADC THS1207
1.3.1 ADC選型
采樣保持器的同步是采集的關鍵點。多通道同步采樣有兩種采樣方式。一種方式是利用外部采樣保持電路，采用同一個控制信號實現對多個采樣保持器同步控制。這種方法的缺點是不易滿足同步采樣的要求，而且采樣保持電路設計比較復雜，系統抗干擾能力差，精度不夠高。另一種方式是選用帶有內部采樣保持器的ADC。這類芯片可以滿足系統同步采樣的要求，抗干擾能力和精度較第一種方式而言要高。因此本設計選用第二種方式進行數據采集[1]。
由于電動車PWM波頻率為15 kHz，如果要在電機高速運轉時采集到控制器的相關參數，則所選ADC所有通道轉換時間必須在1 μs內，但轉換時間不能過快，因為過快會對采集系統產生很大的干擾，應該在20 MHz以內；為了滿足采樣的精度，ADC位數不能小于12 bit；ADC通道至少為4通道。
TI公司所生產的THS1207是一種流水線結構型的模數轉換器，12 bit數高精度、4通道同步采樣，轉換速率為6 MHz，4通道同步采樣時，每個通道速率為1.5 MHz。因此，本設計選用THS1207高速ADC作為采樣芯片。
1.3.2 THS1207基本特性
THS1207基本特性有以下幾點：
（1）同時采樣，采樣信號可以是4個單端信號或者差分信號，也可以是兩種信號的結合；
（2）低功耗：216 mW，+5 V電源供電；
?。?）具有高速并行接口；
（4）微分非線性誤差為±1 LSB，積分非線性誤差為 ±1.5 LSB。
1.3.3 THS1207管腳及內部結構
THS1207管腳圖如圖3所示，下面對THS1207管腳描述。
AINP、AINM、BINP、BINM為模擬輸入端，可以是單端輸入，也可以是差分輸入；AVDD、AGND分別為模擬電源和模擬地；BVDD、DGND分別為數字電源電壓緩沖和數字地緩沖；CONV_CLK是時鐘輸入；CS0和CS1均為片選信號；DVDD、DGND分別為數字電源和數字地；D0~D9為數字輸入輸出口；D10/RA0、D11/RA1分別為數字輸入輸出口；REFIN是共模模擬輸入通道的參考輸入；REFP和REFM為參考輸入；REFOUT為參考輸出；RD、WR為數據讀寫輸入輸出口；SYNC為同步輸出[2]。
THS1207的內部結構框圖如圖4所示，它由采樣保持器、邏輯控制單元、控制寄存器、12 bit流水線ADC和緩沖器等組成。THS1207有4路采樣保持器，可同時對4路信號進行采樣保持，并按順序依次對各通道的采樣保持值進行轉換[3]。
1.3.4 THS1207與單片機的連接
THS1207與單片機的連接如圖5所示。讀寫信號RD、WR分別連接單片機的RD、WR引腳，同步信號SYNC與單片機P2.1口連接，片選信號CS1與單片機P2.2口連接，12個數據信號D0~D11分別連接到單片機的P0.0~P0.7和P2.4~P2.7。THS1207有4種采樣模式，本設計采用4通道連續采樣的模式。THS1207在4通道同步采樣工作方式下的時序圖如圖6所示。
2 采集系統的軟件設計
本系統軟件設計的方案是：讓THS1207在某個時鐘頻率下一直連續采樣，利用單片機內部定時器產生中斷，在一個周期內采樣8次，單片機再響應內部中斷，最后THS1207讀SYNC上的信號，當SYNC信號有效后，單片機讀取THS1207的數據并進行處理[4]。這種設計使得軟件執行效率高，能夠保持每個通道采樣數據的同步，實時性好。軟件流程圖如圖7所示。
3 實驗數據
表1所示為控制器限流30 A所測的一組數據。電機穩定在某個固定轉速時，負載以線性方式逐步增加時，控制器的輸入電流跟隨負載扭矩的變化而線性增加。當負載大到一定程度時，電流不隨負載扭矩的增加而增加，而是穩定在某一固定的值上。
本文詳細介紹了高速模數轉換器THS1207的基本特性，重點介紹了THS1207在電動車無刷直流電機中的應用，實現了在電機運行過程中對控制器相關參數的同步實時采集。
參考文獻
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