摘 要： 設計了一種基于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數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用了高精度高速模數(shù)轉換器AD9244和DSP芯片，并結合相關的程序和軟件，實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)采集和處理。實驗表明，該系統(tǒng)解決了DSP自身模擬轉換器精度不高的實際問題。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(chǎn)的14位高速高精度模數(shù)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(tǒng)、醫(yī)療、高端成像設備、超聲波設備，利用AD9244作為DSP的外擴模數(shù)轉換芯片，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(shù)據(jù)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(shù)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(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(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℃的溫度范圍內正常工作。AD9244的14位數(shù)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(chǎn)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(jù)狀態(tài)引腳的3個二進制地址和1個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(tǒng)整體結構及硬件設計
2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結構
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對8路峰峰值小于2 V的小信號數(shù)據(jù)進行采集，14位采集精度，DSP對數(shù)據(jù)進行讀取并處理。該系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示，整個系統(tǒng)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(zhí)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(jīng)過模擬開關選擇后，依次進入A/D轉換器進行模數(shù)轉換。A/D模數(shù)轉換電路主要是將模擬開關送來的信號進行模數(shù)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(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)進行多種控制。
2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(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，任意時刻只能有一路數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的模數(shù)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(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的輸出驅動器就會激活，并輸出轉換后的數(shù)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(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)形式為二進制，AD9244的數(shù)據(jù)線與DSP數(shù)據(jù)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，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需要轉換芯片對5 V電壓進行轉換。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(jié)，范圍為1.5 V~5.5 V，通過外接一個電阻取樣網(wǎng)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(jīng)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(tǒng)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(shù)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(jù)需要設置，本文設置為0.01 ms，當定時器達到0.01 ms時產(chǎn)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(shù)轉換，同時啟動定時器，這樣循環(huán)往復實現(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(yè)控制領域，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用非常廣泛。本文介紹的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在TMS320F2812芯片的基礎上設計的，其硬件連接比較簡單，模數(shù)轉換器采用外擴模數(shù)轉換器AD9244。實驗結果表明，該系統(tǒng)比采用DSP內部模數(shù)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(shù)據(jù)進行采集。該系統(tǒng)降低了硬件設計的成本和時間，具有靈活、高速、可靠、多路數(shù)據(jù)采集等優(yōu)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23（8-2）：182-183.
[2] 顧衛(wèi)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(shù)據(jù)采集裝置的研制[J].內肛科技，2006（7）：137-137.
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[6] 賈凱，鄭春暉，陳為廉.基于TMS320F2812的雙電源供電電路設計實現(xiàn)[J].電子工程師，2008，34（9）：27-29.