摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于DSP和AD9244的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集和處理多路小信號(hào)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用了高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244和DSP芯片，并結(jié)合相關(guān)的程序和軟件，實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)采集和處理。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)解決了DSP自身模擬轉(zhuǎn)換器精度不高的實(shí)際問題。該系統(tǒng)體積小、功耗低，非常適用于對(duì)于體積和精度都有很高要求的應(yīng)用上。
關(guān)鍵詞： DSP；AD9244；數(shù)據(jù)采集

　由于DSP芯片具有先進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)，使其在信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。TI公司的DSP芯片TMS320F2812具有模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊，理論上采樣精度為12位，在實(shí)際使用中采樣精度為9位或10位[2]。AD9244是ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)的14位高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是體積小、功耗低、精度高，主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)、醫(yī)療、高端成像設(shè)備、超聲波設(shè)備，利用AD9244作為DSP的外擴(kuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，提高了數(shù)據(jù)采集的精度。
1 芯片介紹
　TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的DSP芯片，它支持多項(xiàng)的高速實(shí)時(shí)算法，采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)放在不同的存儲(chǔ)空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術(shù)，CPU主頻高達(dá)150 MHz，時(shí)鐘周期為6.67 ns，采用低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)核電壓為1.8 V，數(shù)字I/O口引腳電壓為3.3 V。同時(shí)TMS320F2812的片內(nèi)外設(shè)資源豐富，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊理論精度為12位。AD9244是ADI公司生產(chǎn)的14位高速高精度模擬轉(zhuǎn)換器。它具有750 MHz的輸入帶寬，最高允許抽樣速率達(dá)到65 MHz。體積小、功耗低、精度高[3]，專門應(yīng)用于峰峰值小于2 V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。AD9244內(nèi)部使用多級(jí)差分電路結(jié)構(gòu)，并帶有自動(dòng)糾錯(cuò)的邏輯電路，可以在65 MS/s的輸入數(shù)據(jù)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(nèi)正常工作。AD9244的14位數(shù)字輸出信號(hào)可以表示為直接二進(jìn)制的形式，也可以是二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式。AD7501是ADI公司生產(chǎn)的八通道多路模擬器，可以選擇8路信號(hào)中的一路信號(hào)送至公共輸出端，其輸入引腳的選擇根據(jù)狀態(tài)引腳的3個(gè)二進(jìn)制地址和1個(gè)輸入使能引腳的電平?jīng)Q定，AD7501功能主要是將多路模擬信號(hào)分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD7501的開關(guān)時(shí)間為：ton=0.8 μs，toff=0.8 μs[3]。
2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對(duì)8路峰峰值小于2 V的小信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，14位采集精度，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并處理。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由模擬開關(guān)電路、高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP芯片、DSP附屬電路及外圍控制電路、執(zhí)行電路組成。

　多路模擬信號(hào)選擇處理電路由模擬開關(guān)和DSP組成，其主要功能是對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行處理，使多路模擬信號(hào)經(jīng)過模擬開關(guān)選擇后，依次進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要是將模擬開關(guān)送來的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送至DSP芯片進(jìn)行處理。DSP附屬電路及外圍控制電路保證DSP正常工作。執(zhí)行單元主要是接收DSP采集的多路數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)進(jìn)行多種控制。
2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
　模擬開關(guān)選用AD7501是有譯碼器的模擬開關(guān)，有8路數(shù)據(jù)輸入，1路數(shù)據(jù)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(shí)刻只能有一路數(shù)據(jù)輸入通過多路開關(guān)[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(zhuǎn)換器。它專門應(yīng)用于峰峰值小于2 V的小信號(hào)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其最高允許采樣速率達(dá)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(shù)字電壓下供電，在5 V供電電壓和65 MS/s的輸入數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)器就會(huì)激活，并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，電壓溢出指示管腳（OTR）與DSP相連接，用于檢測(cè)輸入電壓是否超過A/D轉(zhuǎn)換的電源范圍，輸出數(shù)據(jù)形式選擇管腳（DFS）直接和數(shù)字地相接，使AD9244輸出數(shù)據(jù)形式為二進(jìn)制，AD9244的數(shù)據(jù)線與DSP數(shù)據(jù)總線相連，AD9244的時(shí)鐘信號(hào)引腳（CLK+）和DSP相連接，時(shí)鐘引腳（CLK-）通過一個(gè)0.1 μF的電容與地相連，時(shí)鐘信號(hào)由DSP提供。由于AD9244是完全依靠外加的時(shí)鐘來抽樣，時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量對(duì)ADC的性能影響尤為重要。必須使時(shí)鐘的上升沿盡可能的快，并且盡可能減小抖動(dòng)[5]。AD9244的參考電壓采用外部參考電壓。相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換硬件電路框圖如圖3所示。

　TMS320F2812為低功耗器件，內(nèi)核電壓為1.8 V，I/O口電壓為3.3 V，F(xiàn)lash編程電壓為3.3 V，一般外圍提供的電壓為5 V，而系統(tǒng)的1.8 V和3.3 V需要轉(zhuǎn)換芯片對(duì)5 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用TPS767D301，TPS767D301是TI公司推新推出的雙路低壓差電源調(diào)整器，主要應(yīng)用在需要雙電源供電的DSP設(shè)計(jì)中。TPS767D301帶有可單獨(dú)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(diào)節(jié)，范圍為1.5 V~5.5 V，通過外接一個(gè)電阻取樣網(wǎng)絡(luò)來得到TMS320F2812內(nèi)核需要的1.8V電壓。設(shè)計(jì)時(shí)外部提供純凈+5 V電源輸入，在經(jīng)過一個(gè)鐵氧體磁珠L(zhǎng)1進(jìn)行濾波后進(jìn)入電源芯片[6]，其電路如圖4所示。

3 程序設(shè)計(jì)和軟件仿真
　程序設(shè)計(jì)使用C語言編寫源程序，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，分別初始化DSP和DSP的通用定時(shí)器T1、AD9244、AD7501。首先使能AD7501，并選通第1路模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入DSP，并啟動(dòng)定時(shí)器T0，定時(shí)器時(shí)間根據(jù)需要設(shè)置，本文設(shè)置為0.01 ms，當(dāng)定時(shí)器達(dá)到0.01 ms時(shí)產(chǎn)生中斷，改變AD7501的信號(hào)選擇引腳的地址，讓另外1路信號(hào)輸入進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，這樣循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)的采集，其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

　軟件仿真采用TI公司DSP開發(fā)環(huán)境CCS3.3（Code Composer Studio）軟件。連接硬件仿真系統(tǒng)，目標(biāo)板上電，啟動(dòng)CCS3.3軟件，對(duì)C語言源程序進(jìn)行導(dǎo)入，編譯。
　目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。本文介紹的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在TMS320F2812芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，其硬件連接比較簡(jiǎn)單，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用外擴(kuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)比采用DSP內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度高，可以對(duì)流量、溫度、壓力、密封差壓、各點(diǎn)振動(dòng)位移、催化劑含塵量等多種小信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該系統(tǒng)降低了硬件設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間，具有靈活、高速、可靠、多路數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種智能儀表、自動(dòng)化控制設(shè)備。
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