摘 要: 設計了一種基于DSP和AD9244的多路數據采集系統,用于采集和處理多路小信號數據。系統采用了高精度高速模數轉換器AD9244和DSP芯片,并結合相關的程序和軟件,實現了多路數據采集和處理。實驗表明,該系統解決了DSP自身模擬轉換器精度不高的實際問題。該系統體積小、功耗低,非常適用于對于體積和精度都有很高要求的應用上。
關鍵詞: DSP;AD9244;數據采集
由于DSP芯片具有先進的并行結構,使其在信號處理和數據采集領域得到了越來越廣泛的應用[1]。TI公司的DSP芯片TMS320F2812具有模擬量轉換為數字量的ADC采樣模塊,理論上采樣精度為12位,在實際使用中采樣精度為9位或10位[2]。AD9244是ANALOGDEVICES公司生產的14位高速高精度模數轉換器,其主要特點是體積小、功耗低、精度高,主要應用于通信系統、醫療、高端成像設備、超聲波設備,利用AD9244作為DSP的外擴模數轉換芯片,提高了數據采集的精度。
1 芯片介紹
TMS320F2812是TI公司生產的面向數字控制、運動控制領域的DSP芯片,它支持多項的高速實時算法,采用先進的哈佛結構,將程序和數據放在不同的存儲空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術,CPU主頻高達150 MHz,時鐘周期為6.67 ns,采用低功耗設計,內核電壓為1.8 V,數字I/O口引腳電壓為3.3 V。同時TMS320F2812的片內外設資源豐富,模擬量轉換為數字量的ADC采樣模塊理論精度為12位。AD9244是ADI公司生產的14位高速高精度模擬轉換器。它具有750 MHz的輸入帶寬,最高允許抽樣速率達到65 MHz。體積小、功耗低、精度高[3],專門應用于峰峰值小于2 V的模擬信號轉換。AD9244內部使用多級差分電路結構,并帶有自動糾錯的邏輯電路,可以在65 MS/s的輸入數據速率下保證14 bit的精度。此外,該器件還具有很寬的工作溫度范圍,可以在-40℃~+85℃的溫度范圍內正常工作。AD9244的14位數字輸出信號可以表示為直接二進制的形式,也可以是二進制補碼的形式。AD7501是ADI公司生產的八通道多路模擬器,可以選擇8路信號中的一路信號送至公共輸出端,其輸入引腳的選擇根據狀態引腳的3個二進制地址和1個輸入使能引腳的電平決定,AD7501功能主要是將多路模擬信號分別送至A/D轉換器進行轉換。AD7501的開關時間為:ton=0.8 μs,toff=0.8 μs[3]。
2 系統整體結構及硬件設計
2.1 數據采集系統整體結構
數據采集系統的主要功能是對8路峰峰值小于2 V的小信號數據進行采集,14位采集精度,DSP對數據進行讀取并處理。該系統整體結構圖如圖1所示,整個系統由模擬開關電路、高精度A/D轉換電路、DSP芯片、DSP附屬電路及外圍控制電路、執行電路組成。
多路模擬信號選擇處理電路由模擬開關和DSP組成,其主要功能是對多路模擬信號進行處理,使多路模擬信號經過模擬開關選擇后,依次進入A/D轉換器進行模數轉換。A/D模數轉換電路主要是將模擬開關送來的信號進行模數轉換,把轉換的結果送至DSP芯片進行處理。DSP附屬電路及外圍控制電路保證DSP正常工作。執行單元主要是接收DSP采集的多路數據,并利用數據進行多種控制。
2.2 數據采集系統硬件電路設計
模擬開關選用AD7501是有譯碼器的模擬開關,有8路數據輸入,1路數據輸出,其輸入通道由通道選擇引腳A0、A1、A2和使能引腳EN確定,任意時刻只能有一路數據輸入通過多路開關[4]。其真值表如表1所示。
高精度A/D選擇的AD9244是14位高速高精度A/D轉換器。它專門應用于峰峰值小于2 V的小信號數據的模數轉換,其最高允許采樣速率達到65 MHz,電源可以由+5 V的模擬電源供電,也可以在+3 V或+5 V的數字電壓下供電,在5 V供電電壓和65 MS/s的輸入數據速率下,該器件的功耗為590 mW。AD9244的輸出允許管腳(OED)接地,AD9244的輸出驅動器就會激活,并輸出轉換后的數字信號,電壓溢出指示管腳(OTR)與DSP相連接,用于檢測輸入電壓是否超過A/D轉換的電源范圍,輸出數據形式選擇管腳(DFS)直接和數字地相接,使AD9244輸出數據形式為二進制,AD9244的數據線與DSP數據總線相連,AD9244的時鐘信號引腳(CLK+)和DSP相連接,時鐘引腳(CLK-)通過一個0.1 μF的電容與地相連,時鐘信號由DSP提供。由于AD9244是完全依靠外加的時鐘來抽樣,時鐘信號的質量對ADC的性能影響尤為重要。必須使時鐘的上升沿盡可能的快,并且盡可能減小抖動[5]。AD9244的參考電壓采用外部參考電壓。相應的A/D轉換硬件電路框圖如圖3所示。
TMS320F2812為低功耗器件,內核電壓為1.8 V,I/O口電壓為3.3 V,Flash編程電壓為3.3 V,一般外圍提供的電壓為5 V,而系統的1.8 V和3.3 V需要轉換芯片對5 V電壓進行轉換。系統選用TPS767D301,TPS767D301是TI公司推新推出的雙路低壓差電源調整器,主要應用在需要雙電源供電的DSP設計中。TPS767D301帶有可單獨供電的雙路輸出,一路固定輸出電壓為3.3 V,另一路輸出電壓可以調節,范圍為1.5 V~5.5 V,通過外接一個電阻取樣網絡來得到TMS320F2812內核需要的1.8V電壓。設計時外部提供純凈+5 V電源輸入,在經過一個鐵氧體磁珠L1進行濾波后進入電源芯片[6],其電路如圖4所示。
3 程序設計和軟件仿真
程序設計使用C語言編寫源程序,首先對系統進行初始化,分別初始化DSP和DSP的通用定時器T1、AD9244、AD7501。首先使能AD7501,并選通第1路模擬信號進行模數轉換,同時把轉換的結果送入DSP,并啟動定時器T0,定時器時間根據需要設置,本文設置為0.01 ms,當定時器達到0.01 ms時產生中斷,改變AD7501的信號選擇引腳的地址,讓另外1路信號輸入進行模數轉換,同時啟動定時器,這樣循環往復實現8路數據的采集,其系統流程圖如圖5所示。
軟件仿真采用TI公司DSP開發環境CCS3.3(Code Composer Studio)軟件。連接硬件仿真系統,目標板上電,啟動CCS3.3軟件,對C語言源程序進行導入,編譯。
目前在工業控制領域,多路數據采集系統的應用非常廣泛。本文介紹的多路數據采集系統是在TMS320F2812芯片的基礎上設計的,其硬件連接比較簡單,模數轉換器采用外擴模數轉換器AD9244。實驗結果表明,該系統比采用DSP內部模數轉換器精度高,可以對流量、溫度、壓力、密封差壓、各點振動位移、催化劑含塵量等多種小信號數據進行采集。該系統降低了硬件設計的成本和時間,具有靈活、高速、可靠、多路數據采集等優點,可廣泛應用于各種智能儀表、自動化控制設備。
參考文獻
[1] 賴武剛,郭勇,詹鵬.基于DSP和MAX147的多路數據采集系統[J].微計算機信息,2007,23(8-2):182-183.
[2] 顧衛剛.手把手教你學DSP[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.
[3] 杜洋,李寶森.14位高精度高速AD轉換器AD9244[J].國外電子元器件,2003(10):35-37.
[4] 李興山,楊繼紅.多通道數據采集裝置的研制[J].內肛科技,2006(7):137-137.
[5] 李寶森,杜洋.高速高精度模數轉換器AD9244在軟件無線電中的應用[J].電子器件,2009,29(2):539-542.
[6] 賈凱,鄭春暉,陳為廉.基于TMS320F2812的雙電源供電電路設計實現[J].電子工程師,2008,34(9):27-29.