高精度同步数据获取系统的研制

朱晓慧 谭松清 李 瑞

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

高精度同步数据获取系统的研制

朱晓慧1,2谭松清1李 瑞1

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

在磁铁电源研制等多种应用场合需同步测量多个信号，同时要求测量数据要有较高的精度。利用高精度模数转换器AD7960实现高精度数据获取，使用可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)进行逻辑控制实现同步触发控制，研制出了高分辨率同步数据获取系统。分别针对高精度和同步性能进行测试和分析，得出系统的实际有效分辨率高于18位，并验证了系统能够实现高性能的同步数据采集。结合实际应用，进一步验证了系统的性能优势。

数据获取系统，高精度，同步采样，模数转换器，网络，磁铁电源

上海光源是一台先进的第三代电子同步辐射加速器，同步辐射装置对磁铁电源有着高精度、高稳定性等指标要求。磁铁电源[1]的精度主要受反馈精度影响，这就需要有高精度的数据采集系统获取电流或电压的反馈信号。磁铁电源为磁铁负载提供励磁电流，电流的变化引起磁通量的变化，在磁铁设计中需要同时获取电流和磁通量的信息以研究磁铁性能的好坏，如何实现同步数据获取已经成为关键。在上述功能需求下，研制了高精度同步数据获取系统，该系统已经在上海光源得到了应用，实际性能都达到了预期要求。

1 系统的实现

1.1 高精度数据的获取

高精度数据获取的硬件实现集成在模数转换(Analog Digital Converter, ADC)采样卡上。采样数据的获取由AD7960[2]芯片实现，AD7960是一款18位、5 MSPS、电荷再分配逐次逼近型模数转换器。如图1所示，在CNV±边沿，AD7960对IN+与IN-引脚之间的电压差进行采样。施加于AD7960的模拟输入(IN+和IN-)必须保持180°反相。一旦采集阶段结束且CNV±输入变为高电平，即启动转换阶段。转换数据以串行方式输出。系统通过过采样[3]技术，实现更高的有效分辨率。系统的实际采样频率带宽为0.05 Hz-100 kHz，该带宽对于绝大部分磁铁电源和磁场测量系统而言已经足够。

ADC的时序控制和数据处理由现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)完成。FPGA采用Altera公司的Cyclone IV[4]系列的EP4CE40F484芯片。用户通过上层界面设置好同步触发脉冲信号频率、采样时间，发送启动命令后，由FPGA产生相应的时序控制信号，ADC被触发后开始采样，转换数据输出给FPGA处理后存储在4M 32位的SDRAM中。采样结束后，数据上传给上层界面，供用户研究分析。

图1 AD7960转换时序图Fig.1 AD7960 conversion timing diagram.

1.2 同步采集

利用控制卡和ADC采集卡协同工作的模式实现同步采集。控制卡同样采用FPGA芯片实现逻辑控制。控制卡为ADC卡提供同步采样触发脉冲信号。此外，控制卡还具有PID算法实现、PWM波形产生、数字信号输入输出等功能，在ADC采集卡的配合下可实现磁铁电源的负反馈控制。

一块控制卡和一块ADC采集卡组成一套电源控制器。当需要同步获取多个信号数据时，可以通过多套电源控制器共同作用实现。其中一套电源控制器作为主控制器，其余的构成从控制器。主控制器用于产生同步采样触发脉冲信号，其自身也负责一路信号的转换。控制器的主从模式如图2所示。主控制器负责产生下降沿触发的同步触发脉冲信号进行采集，如图3所示。开启采样命令后，所有的ADC卡处于待命状态，当每一个触发脉冲的下降沿到来时刻，所有的采集卡被触发进行同步采样，每来一次触发脉冲，进行一次采样。同时，每次触发脉冲信号到来后，各ADC卡均以5 MHz的采样频率进行过采样，然后通过平均法获得当前实际转换的码数，完成一次触发脉冲下的数据采集。其中，同步触发脉冲信号的次数=同步触发脉冲信号频率×采样时间。

图2 控制器的主从模式Fig.2 Master-slave mode of the controller.

图3 同步触发脉冲信号Fig.3 Synchronizing trigger signal.

1.3 与上位机通信的实现

数据采集系统转换后的数字量需要送至计算机进行加工处理以便后续的显示、观察、分析，早期的电源控制器采用RS232接口来传输控制命令和数据，传输速度慢，使用上也不方便。随着通信技术的发展，网络通信的优势更加明显。为了追求高效、稳定、便捷的通信方式，该系统集成了标准的100Mbps以太网通信接口，采用TCP网络协议传输控制命令和数据。

1.4 上层控制界面的实现

采用Visual Basic 6.0进行可视化控制界面的设计，用户可以通过控制界面进行参数设置、发布启动命令、上传采样数据、保存数据等操作。经测试，实现了对同步数据获取系统的控制(图4、图5)。

图4 控制卡主界面Fig.4 Control interface of control card.

图5 ADC采集卡主界面Fig.5 Control interface of ADC card.

2 系统的性能测试与分析

2.1 系统有效分辨率测试

表征系统精度的一个关键指标是ADC的有效分辨率。由于ADC量化噪声、电路板热噪声和开关器件等噪声的存在，输出码呈现高斯分布。故总输出可分解为理想ADC的直流输入与折合总噪声的共同作用，由此可确定噪声的有效值（即标准误差σ）。ADC的有效分辨率[5]为：

式中，a为有效分辨率；b为输入满度范围；c为有效值噪声。

有效分辨率与ENOB容易混淆[6]。测试ENOB最常用的办法是对ADC的一个正弦输入做快速傅里叶变换分析。IEEE标准1057将ENOB定义为：

由于本系统的实际应用场合为磁铁电源和动态磁场测量，所测信号都是大周期信号，我们关注的是信号的低频特性，故不采用正弦方法，又由于实验室具备标准源，故选用简单方便的标准差法。测试使用标准源产生2.3 V的直流信号作为输入，采样时间为1 s，分别以5 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz、75 kHz和100 kHz的同步触发信号频率进行触发采样，对数据分析绘制出有效分辨率与同步触发信号频率的关系如图6所示，可见在100 kHz处有效分辨率降到最低，但仍然达到了18.7位，系统通过过采样提高了有效分辨率。

图6 有效分辨率与同步触发信号频率的关系Fig.6 Relationship between the effective resolution andfrequency of synchronizing trigger signal.

为了验证数据的可靠性，以70 kHz的采样频率、10 μV的台阶增量进行测试，对数据分析得到分辨率示意图，如图7所示，可见台阶分辨清晰。

图7 ADC分辨率示意图Fig.7 ADC resolution schematic.

2.2 同步性能测试

使用Agilent 33220 A 20 MHz函数信号发生器产生幅值2.5 V、频率100 Hz、初相0的正弦波信号送入两路ADC采集卡输入端，同步触发信号频率为50 kHz，采样时间为0.1 s，使用两路同步采集，测得的数据波形见图8。两路信号几乎完全重合，没有时间差。为精确表征系统的同步性能，使用MATLAB对两路数据进行分析，求得互相关函数。原理：设有任一波A(t)和另一个延迟时间为τ的波B(t)，在有限时间间隔T内其互相关函数定义为：

图8 同步采集得到的两路信号Fig.8 Two signals obtained by synchronous acquisition.

当互相关函数取得最大值时，对应的τ就是两路信号相应的时延[7]。对于离散化采样数据，则：设A(t)=a(n)，B(t)=b(n)，n=0、1、2、…、N，则互相关函数为：

式中，m=-N、-N+1、…、N-1、N，则当rAB取最大值时，m对应的τ就是两路信号的时延。计算两路信号的互相关函数(图9)，两路信号互相关函数在0处取的最大值，即两路信号的时延为0个采样点，说明两路信号之间没有相位差，做到了同步采样。进一步分析系统可能存在的时延，由于每厘米的电路延时在皮秒量级，我们的线路仅为几厘米，故电路延时可忽略不计。考虑到采集卡之间会有时钟周期延时，但最多不可能超过一个时钟周期(6.67 ns)，故我们的系统同步性能是优于10 ns的。

图9 两路信号的互相关函数Fig.9 Two signals cross-correlation function diagram.

对比市面上现有的同步数据采集系统的有效位数得出表1。

表1 系统分辨率对比Table 1 Resolution comparison of different systems.

3 同步数据获取系统的应用

3.1 在参数整定时上的应用

在对磁铁电源进行PID参数设置时，如若出现超调或振荡等变化，普通的示波器由于分辨率有限无法抓取到波形动态变化的细节。磁铁电源的PWM频率约为25 kHz，最大为50 kHz，针对这样一个范围，我们的ADC满足要求，可以实现高精度的采样捕捉到波形动态变化的细节。用户根据细微的动态变化，修改、调整设定参数，使得电源达到更为理想的输出。

3.2 在动态测量磁场上的作用

采用两套电源控制器组成两路数据获取系统，对电流信号和磁通量信号进行采集。电流波形为周期性的梯形波，由于电流的变化范围从0 A升至1200 A，这里为了方便显示对获取到的电流和磁通量数据进行了归一化处理，得到的电流和磁通量的波形如图10所示，直线波形为电流波形，虚线为磁通量波形，图10中有两段下降波形处出现了时延，是电感和磁滞效应必定产生的延迟，该特性正是磁铁研究的重点。由于我们的系统具有较高的同步特性，故而测得数据能够较为准确地反应电流和磁场的变化，为磁铁的设计和分析提供精准的数据。

图10 电流与磁通量波形Fig.10 Waveform of current and magnetic flux.

4 结语

目前，在市场已有的产品中，有的控制系统能够有较高的ADC分辨率，但不能做到多路信号的同步采样，而有的产品能做到同步采样，但系统的分辨率又达不到要求。我们的新版本数字化电源控制器既能达到较高的分辨率，又能实现同步采样，将二者的优势集于一身，在实践中具有明显的优势。

同时，我们选择网络通信来传输控制命令和数据，大大提高了系统的通信效率，节约了成本，使用起来也极为方便。

1 鲁璟. 磁铁电源数字化控制器的研究与设计[D]. 长沙:湖南大学, 2010 LU Jing. Research and design of digital controller of magnet power supply[D]. Changsha: Hunan University, 2010

2 AD7960 datasheet[EB]. http://www.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/pdf/528261/AD/AD7960.html, 2013

3 She X P, Xiong J Q. Multi-channel electrical power data acquisition system based on AD7606 and NIOSII[C]. International Conference on Electrical and Control Engineering, v.3. 2011: 1625-1627

4 ALTERA. Cyclone IV datasheet[EB]. http://www.altera. com.cn/literature/hb/cyclone-iv/cyiv-53001.pdf, 2013

5 柯新花, 卢宋林, 许瑞年. 一种实用的高精度ADC测试方法[J]. 核技术, 2008, 31(5): 374-378 KE Xinhua, LU Songlin, XU Ruinian. A practical method to test high-resolution ADC[J]. Nuclear Techniques, 2008, 31(5): 374-378

6 Steve Logan. 理解ADC的噪声、ENOB及有效分辨率[J].技术纵横, 2012, 08: 43-46 Steve Logan. Understand the noise of the ADC, ENOB and effective resolution[J]. Technical Feature, 2012, 08: 43-46

7 罗映霞, 马君, 朱青松. 基于MATLAB的信号相位差的互相函数求法[J]. 科技情报开发与经济, 2003, 13(7): 149-150 LUO Yingxia, MA Jun, ZHU Qingsong. A method for phase difference measurement with correlation function based on MATLAB[J]. Sci-Tech Information Development & Economy, 2003, 13(7): 149-150

CLCTL503

Research and design of high precision synchronization data acquisition system

ZHU Xiaohui1,2TAN Songqing1LI Rui1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background:Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) is an advanced third-generation synchrotron radiation electron accelerator. The synchrotron radiation devices require the magnets and magnet power supply of high performance, such as high precision and high stability. In the design of a magnet and a magnet power supply, the flux and current signals is required to be measured simultaneously.PurposeIn order to simultaneously measure the two signals with high precision, a high precision synchronization data acquisition system should be designed and implemented.MethodsAn 18-bits, 5 MSPS analog to digital converter of AD7960 is used to realize the high precision data acquisition. The synchronizing trigger signal is produced by Field-Programmable Gate Array (FPGA), which is used to generate the control logic.Results:After the test of effective precision of Analog Digital Converter (ADC) and the synchronization performance, it is resulted that the effective precision of this system is better than 18 bits, and the performance of synchronization is great.ConclusionThe system proposed in this paper satisfies requirements of high precision synchronization data acquisition for SSRF.

Data acquisition system, High precision, Synchronous sampling, Analog Digital Converter (ADC), Ethernet, Magnet power supply

TL503

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110101

朱晓慧，女，1989年出生，2012年毕业于信阳师范学院，电力电子与自动化，信号与信息处理

2014-06-30，

2014-08-12