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，重點對THS1207在電動車無刷直流電機中的應(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(guān)鍵詞： 高速模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)濟的健康發(fā)展。電動自行車以電力作動力，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質(zhì)量。而控制器是電動車控制系統(tǒng)的核心，控制器性能的好壞直接影響電動車的質(zhì)量。為了能夠正確評價電動車控制器的性能，就需要設(shè)計出一種能夠檢測控制器相關(guān)參數(shù)的采集系統(tǒng)，為電動車驅(qū)動系統(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(tǒng)的CPU，它具有高速、低功耗和超強抗干擾等優(yōu)點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度卻比普通8051單片機快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單片機可以采集到無刷直流電機在高速運轉(zhuǎn)情況下的相關(guān)參數(shù)。
1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1 基本設(shè)計思想
　本系統(tǒng)是以電動車無刷直流電機控制器檢測為背景，經(jīng)研究證明，電動車無刷直流電機在空載情況下，最高轉(zhuǎn)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(shù)，就必須利用多通道高速ADC進行同步采樣。本系統(tǒng)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(nèi)對信號進行N點均勻采樣。
　本系統(tǒng)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(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送入前端信號調(diào)理電路，由信號調(diào)理電路完成對信號的放大和濾波等；然后將數(shù)據(jù)送入ADC進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由單片機控制讀入并進行實時濾波預(yù)處理；待采集完成后，通過串口將數(shù)據(jù)送入上位機實時顯示。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1.2 STC12C5A60S2芯片介紹
　STC12C5A60S2單片機是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)，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(shè)置成4種模式：準雙向/弱上拉，強推免/強上拉，每個I/O口驅(qū)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(guān)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(xiàn)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(shè)計比較復(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)計選用第二種方式進行數(shù)據(jù)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(zhuǎn)時采集到控制器的相關(guān)參數(shù)，則所選ADC所有通道轉(zhuǎn)換時間必須在1 μs內(nèi)，但轉(zhuǎn)換時間不能過快，因為過快會對采集系統(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，每個通道速率為1.5 MHz。因此，本設(shè)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：
?。?）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(jié)合；
　（2）低功耗：216 mW，+5 V電源供電；
?。?）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是時鐘輸入；CS0和CS1均為片選信號；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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shè)計采用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序圖如圖6所示。

2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　本系統(tǒng)軟件設(shè)計的方案是：讓THS1207在某個時鐘頻率下一直連續(xù)采樣，利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生中斷，在一個周期內(nèi)采樣8次，單片機再響應(yīng)內(nèi)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(shù)據(jù)并進行處理[4]。這種設(shè)計使得軟件執(zhí)行效率高，能夠保持每個通道采樣數(shù)據(jù)的同步，實時性好。軟件流程圖如圖7所示。

3 實驗數(shù)據(jù)
　表1所示為控制器限流30 A所測的一組數(shù)據(jù)。電機穩(wěn)定在某個固定轉(zhuǎn)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(wěn)定在某一固定的值上。

　本文詳細介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用，實現(xiàn)了在電機運行過程中對控制器相關(guān)參數(shù)的同步實時采集。
參考文獻
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