[发明专利]一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置及方法

权利要求书

1.一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，包括MCU芯片、FPGA芯片、基准电压产生电路、二选一选择器和A/D转换电路，所述的基准电压产生电路的输入端与FPGA芯片的输出端连接，所述的基准电压产生电路的输出端和FPGA芯片的输出端分别与二选一选择器的输入端连接，所述的二选一选择器的输出端、FPGA芯片的输出端分别与A/D转换电路的输入端连接，所述的A/D转换电路的输出端与MCU芯片的输入端连接，所述的MCU芯片的输出端与FPGA芯片的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的MCU芯片用于整体功能实现，对A/D输出数字量进行判断后发送给上位机。

3.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的FPGA芯片根据MCU的控制命令，在指定时刻发送数字量给基准电压产生电路，并且发送选通信号给二选一选择器，发送片选信号给A/D转换电路。

4.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的基准电压产生电路用于产生用于自检的基准电压，根据FPGA发过来的数字量转换成基准电压送给二选一选择器。

5.根据权利要求4所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的基准电压产生电路包括依次连接的D/A转换芯片、分压电路和电压跟随器；

其中分压电路包括依次连接电阻R1和电阻R2，所述的电阻R1与D/A转换芯片连接，所述的电压跟随器包括第一运算放大器和电阻R3，所述的电阻R3并联在第一运算放大器的输入端和输出端之间，所述的第一运算放大器的输入端接在电阻R1和电阻R2之间；

所述的D/A转换芯片输出的模拟电压信号需经分压整形后输出，其中电阻R1和电阻R2构成了分压电路，该分压电路的放大倍数为R2/(R1+R2)；根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和电阻R2的阻值，使得当FPGA芯片输出数字量0xFFF时，基准电压产生电路输出的基准电压的大小正好与待检测模拟电压的最大值相同，这样FPGA芯片输出数字量范围0x000～0xFFF，就与待检测模拟电压的范围保持一致，从而就能够实现全范围动态自检功能。

6.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的二选一选择器根据FPGA芯片发送的选通信号，将基准电压或者待检测电压发送给A/D转换电路。

7.根据权利要求5所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的A/D转换电路负责模拟量到数字量的转换功能，把输入模拟电压值转换成数字量，然后送给MCU芯片。

8.根据权利要求1或8所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的A/D转换电路包括依次连接的电压输入端、负反馈放大电路、A/D转换芯片和SPI接口；

所述的负反馈放大电路包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述的电压输入端通过电阻R4与第二运算放大器的一输入端连接，所述的第二运算放大器的另一输入端分别与电阻R5一端、电阻R6一端连接，所述的电阻R5另一端接地，所述的电阻R6另一端与第二运算放大器的输出端连接，所述的第二运算放大器的输出端与A/D转换芯片输入端连接；

模拟电压在输入A/D转换芯片前，需要经过负反馈放大电路，该负反馈放大电路的放大倍数为(R5+R6)/R5，根据待检测模拟电压的范围，来设置电阻R1和R2的阻值，使得待检测模拟电压的最大值放大(R5+R6)/R5倍后，正好与A/D转换芯片的参考电压VREF相等。

9.根据权利要求1所述的一种具有全范围动态自检功能的A/D转换装置，其特征在于，所述的MCU芯片通过内部的PMP模块对FPGA芯片进行访问，所述的PMP模块是MCU的一个16位并行I/O模块，专用于与通信外设、LCD、外部存储器件以及FPGA的多种并行器件进行通信。

10.一种采用权利要求1所述的具有全范围动态自检功能的A/D转换装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，装置启动后，MCU芯片进行初始化操作；

步骤2，MCU芯片初始化结束后，就开始进入自检操作，MCU芯片会发送基准电压设置命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和第1个基准电压值对应的数字量0x0FF，FPGA芯片收到该命令后，就会将基准电压值对应的数字量0x0FF发送到基准电压产生电路，然后经过基准电压产生电路的D/A转换和分压整形，最后就产生数字量0x0FF对应的基准电压值1.5V/16＝0.09375V；

步骤3，MCU芯片会发送选择器选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路选择器的选通信号Select_1置为逻辑1，使得第1路选择器会将输出选通到基准电压；

步骤4，MCU芯片会发送AD芯片选通命令给FPGA芯片，命令中会包含命令编码和数据0x000001，FPGA芯片收到该命令后就会将第1路A/D芯片的片选信号CS_1置为逻辑1，接着MCU就通过SPI接口采集第1路A/D芯片的数据；

步骤5，针对该基准电压，MCU芯片判断是否已经完成了对所有24路A/D转换电路的自检，如果24路全部完成了自检则进入步骤6；否则返回步骤3，同时将选择器选通命令和AD芯片选通命令中的数据左移1位，也就是继续对下一路A/D转换电路进行自检；

步骤6，MCU芯片判断是否已经完成了所有16个基准电压值的自检，如果16个基准电压值的自检已全部完成则进入步骤7；否则返回步骤2，同时将基准电压设置命令中的数字量设定为下一个基准电压值；

步骤7，自检结束，MCU芯片会发送自检完成命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到自检完成命令后，会执行以下操作：(1)发送数字量0x000到基准电压产生电路，清零基准电压值；(2)将24路选择器的选通信号全部置为逻辑0，使得选择器都将输出选通到待检测电压；(3)将A/D芯片的片选信号全部置为逻辑0；

步骤8，MCU芯片会先进行一次数据采集，由于此刻A/D芯片的片选信号是全部置为逻辑0的，所以采集到的数据就是漏流值，漏流检测通过，则MCU芯片会发送数字量采集命令给FPGA芯片，FPGA芯片收到数字量采集命令后，会将第24路A/D芯片的片选信号依次有效，使得MCU芯片可轮询采集24路A/D芯片的数据。