摘  要： 介紹了12 bit同步高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本原理及工作特性，重點(diǎn)對(duì)THS1207在電動(dòng)車無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用做了具體研究，給出了相關(guān)硬件電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程，為電動(dòng)車無刷直流電機(jī)控制器的性能測(cè)試做了很好的準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞： 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器；THS1207；無刷直流電機(jī)

　伴隨著城市化進(jìn)程，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大，代替自行車的電動(dòng)車的普及大幅度地提高了電力資源的利用效率，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質(zhì)量。而控制器是電動(dòng)車控制系統(tǒng)的核心，控制器性能的好壞直接影響電動(dòng)車的質(zhì)量。為了能夠正確評(píng)價(jià)電動(dòng)車控制器的性能，就需要設(shè)計(jì)出一種能夠檢測(cè)控制器相關(guān)參數(shù)的采集系統(tǒng)，為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和改善提供科學(xué)依據(jù)。
　目前，大部分電動(dòng)車所配的電機(jī)是無刷直流電機(jī)，本文以STC12C5A60S2單片機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的CPU，它具有高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度卻比普通8051單片機(jī)快8~12倍。THS1207是TI公司生產(chǎn)的高速多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），配合STC12C5A60S2單片機(jī)可以采集到無刷直流電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的相關(guān)參數(shù)。
1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 基本設(shè)計(jì)思想
　本系統(tǒng)是以電動(dòng)車無刷直流電機(jī)控制器檢測(cè)為背景，經(jīng)研究證明，電動(dòng)車無刷直流電機(jī)在空載情況下，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到450 r/min，電動(dòng)車PWM頻率為15 kHz，要想在這么快的情況下采集到電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，就必須利用多通道高速ADC進(jìn)行同步采樣。本系統(tǒng)的“同步”包括兩點(diǎn)：（1）對(duì)多路輸入信號(hào)在同一時(shí)刻進(jìn)行采樣；（2）針對(duì)周期信號(hào)，得到周期波形同步信號(hào)，以此同步信號(hào)為基準(zhǔn)，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)均勻采樣。
　本系統(tǒng)先是利用磁粉制動(dòng)器搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jī)轉(zhuǎn)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(hào)送入前端信號(hào)調(diào)理電路，由信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)信號(hào)的放大和濾波等；然后將數(shù)據(jù)送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制讀入并進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波預(yù)處理；待采集完成后，通過串口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1.2 STC12C5A60S2芯片介紹
　STC12C5A60S2單片機(jī)是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)，是一種針對(duì)電機(jī)控制的增強(qiáng)型8051單片機(jī)。它的主要特性有：（1）工作電壓：3.3 V~5.5 V；（2）高速：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期；（3）工作頻率為0~35 MHz，相當(dāng)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(shè)置成4種模式：準(zhǔn)雙向/弱上拉，強(qiáng)推免/強(qiáng)上拉，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到20 mA，但整個(gè)芯片最大不能超過55 mA；（7）4個(gè)16位定時(shí)器，8通道、10 bit高速ADC，2路PWM，還可以當(dāng)DAC使用，2通道捕獲單元和2通道比較單元；（8）加密性強(qiáng)，無法解密；（9）超強(qiáng)抗干擾，整機(jī)通過20 kV靜電測(cè)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(jī)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(guān)鍵點(diǎn)。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(gè)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)采樣保持器同步控制。這種方法的缺點(diǎn)是不易滿足同步采樣的要求，而且采樣保持電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)抗干擾能力差，精度不夠高。另一種方式是選用帶有內(nèi)部采樣保持器的ADC。這類芯片可以滿足系統(tǒng)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(shè)計(jì)選用第二種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。
　由于電動(dòng)車PWM波頻率為15 kHz，如果要在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采集到控制器的相關(guān)參數(shù)，則所選ADC所有通道轉(zhuǎn)換時(shí)間必須在1 μs內(nèi)，但轉(zhuǎn)換時(shí)間不能過快，因?yàn)檫^快會(huì)對(duì)采集系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，應(yīng)該在20 MHz以內(nèi)；為了滿足采樣的精度，ADC位數(shù)不能小于12 bit；ADC通道至少為4通道。
　TI公司所生產(chǎn)的THS1207是一種流水線結(jié)構(gòu)型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，12 bit數(shù)高精度、4通道同步采樣，轉(zhuǎn)換速率為6 MHz，4通道同步采樣時(shí)，每個(gè)通道速率為1.5 MHz。因此，本設(shè)計(jì)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(diǎn)：
　（1）同時(shí)采樣，采樣信號(hào)可以是4個(gè)單端信號(hào)或者差分信號(hào)，也可以是兩種信號(hào)的結(jié)合；
　（2）低功耗：216 mW，+5 V電源供電；
　（3）具有高速并行接口；
?。?）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(nèi)部結(jié)構(gòu)
　THS1207管腳圖如圖3所示，下面對(duì)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(shù)字電源電壓緩沖和數(shù)字地緩沖；CONV_CLK是時(shí)鐘輸入；CS0和CS1均為片選信號(hào)；DVDD、DGND分別為數(shù)字電源和數(shù)字地；D0~D9為數(shù)字輸入輸出口；D10/RA0、D11/RA1分別為數(shù)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(shù)據(jù)讀寫輸入輸出口；SYNC為同步輸出[2]。
THS1207的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行采樣保持，并按順序依次對(duì)各通道的采樣保持值進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。
1.3.4 THS1207與單片機(jī)的連接
　THS1207與單片機(jī)的連接如圖5所示。讀寫信號(hào)RD、WR分別連接單片機(jī)的RD、WR引腳，同步信號(hào)SYNC與單片機(jī)P2.1口連接，片選信號(hào)CS1與單片機(jī)P2.2口連接，12個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)D0~D11分別連接到單片機(jī)的P0.0~P0.7和P2.4~P2.7。THS1207有4種采樣模式，本設(shè)計(jì)采用4通道連續(xù)采樣的模式。THS1207在4通道同步采樣工作方式下的時(shí)序圖如圖6所示。

2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方案是：讓THS1207在某個(gè)時(shí)鐘頻率下一直連續(xù)采樣，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生中斷，在一個(gè)周期內(nèi)采樣8次，單片機(jī)再響應(yīng)內(nèi)部中斷，最后THS1207讀SYNC上的信號(hào)，當(dāng)SYNC信號(hào)有效后，單片機(jī)讀取THS1207的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理[4]。這種設(shè)計(jì)使得軟件執(zhí)行效率高，能夠保持每個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)的同步，實(shí)時(shí)性好。軟件流程圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
　表1所示為控制器限流30 A所測(cè)的一組數(shù)據(jù)。電機(jī)穩(wěn)定在某個(gè)固定轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載以線性方式逐步增加時(shí)，控制器的輸入電流跟隨負(fù)載扭矩的變化而線性增加。當(dāng)負(fù)載大到一定程度時(shí)，電流不隨負(fù)載扭矩的增加而增加，而是穩(wěn)定在某一固定的值上。

　本文詳細(xì)介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本特性，重點(diǎn)介紹了THS1207在電動(dòng)車無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)運(yùn)行過程中對(duì)控制器相關(guān)參數(shù)的同步實(shí)時(shí)采集。
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