帶GPS授時(shí)的TMS320F2812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    如今，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很多，有基于數(shù)字信號(hào)處理器DSP設(shè)計(jì)的，也有基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA設(shè)計(jì)的，這些采集系統(tǒng)盡管采集處理數(shù)據(jù)能力不差，但大多都采用傳統(tǒng)授時(shí)模式。

        而異地同步測(cè)量是工程中經(jīng)常用到的方法，如果用傳統(tǒng)的授時(shí)模式，其時(shí)鐘頻率的產(chǎn)生是用晶體，而晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化及長(zhǎng)期的精度漂移影響，造成授時(shí)精度下降，這樣異地同步測(cè)量的數(shù)據(jù)其實(shí)在理論上已經(jīng)不再同步、同時(shí)了。本系統(tǒng)采用GPS新型授時(shí)方法，結(jié)合DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。

        1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)成與工作原理

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸人、同步采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。

        模擬量輸入部分設(shè)有多個(gè)通道(如16路)，可用來(lái)對(duì)若干路電壓和若干路電流同時(shí)測(cè)量。來(lái)自PT或CT副邊的電壓或電流，經(jīng)隔離變換、模擬低通濾波后，被建立在GPS時(shí)間基準(zhǔn)上的同步采樣系統(tǒng)所采樣，經(jīng)依次A／D轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP根據(jù)遞歸DFT算法，每來(lái)一個(gè)新的采樣點(diǎn)計(jì)算一次所有被測(cè)量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的時(shí)間信息和數(shù)據(jù)窗第一個(gè)采樣點(diǎn)的順序編號(hào)，給計(jì)算結(jié)果置以便于識(shí)別的“時(shí)間標(biāo)簽”。計(jì)算得出的各相量連同其時(shí)間標(biāo)簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過(guò)DSP總線和USB2.0數(shù)據(jù)線送往PC上位機(jī)進(jìn)行處理和分析。

        2 基于GPS授時(shí)的同步采樣控制單元

        同步采樣是實(shí)現(xiàn)異地同步測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，只有各測(cè)量點(diǎn)的采樣是同步進(jìn)行的，同一時(shí)刻計(jì)算出的相量具有統(tǒng)一的參考時(shí)問(wèn)基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可直接進(jìn)行比較。本文討論了無(wú)線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時(shí)方法。這些授時(shí)方法的誤差比較如表1所列。

        通過(guò)比較不難看出，傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步方法由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的影響，在精度和實(shí)用性上很難滿足異地同步測(cè)量的要求；只有GPS精密授時(shí)方法的優(yōu)越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基于GPS時(shí)間信號(hào)的最新時(shí)鐘同步方法。

        2.1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

        GPS(Global Positioing System，全球定位系統(tǒng))是美國(guó)研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備組成。空間部分主要由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。在地球的任意處(有360°的視野)至少可以看到3顆衛(wèi)星(根據(jù)筆者實(shí)際用的情況看)。地面控制部分包括監(jiān)測(cè)站、主控站和注入站。用戶設(shè)備就是GPS接收機(jī)，本系統(tǒng)所選擇的接收機(jī)是GPS-OEM板(型號(hào)是GPS15L，在2.3小節(jié)會(huì)詳細(xì)討論)，它根據(jù)自己時(shí)鐘和接收到的導(dǎo)航電文計(jì)算出接收機(jī)(天線)所在的位置和GPS時(shí)間。

        2.2 GPS授時(shí)原理

        目前的定時(shí)型GPS接收機(jī)，在其內(nèi)部時(shí)鐘與GPS時(shí)間同步后，將給出與UCT時(shí)間同步的1 pps(秒脈沖)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間代碼，如圖2所示。

        2.3 同步采樣控制單元硬件

        在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，選擇Garmin 公司研制開(kāi)發(fā)的GPS15L OEM板和單片機(jī)AT89C51分別作為GPS接收機(jī)和控制器。該模塊體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)要用到的GPS授時(shí)技術(shù)，工作原理如下：系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機(jī)通過(guò)串口TXD實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS15L板初始化，設(shè)置GPS接收機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式。初始化完畢后，GPS15L板會(huì)給出相應(yīng)信息，單片機(jī)識(shí)別到這些信息后，開(kāi)始接收GPS15L板傳送來(lái)的時(shí)間數(shù)據(jù)，并對(duì)它進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間輸出。如圖3所示，單片機(jī)AT89C51的串行口RXD、TXD分別和 GPS15L板的TXD1、RXD1連接起通信作用。由于TXD既要在上電時(shí)給GPS15L板發(fā)出初始化命令，又要在初始化完畢后傳送北京時(shí)間，因此為了不使兩階段的工作相互影響，用P1.0口線和若干邏輯門(mén)來(lái)控制通信的先后順序。GPS15L板初始化后，還會(huì)輸出秒脈沖信號(hào)。1pps信號(hào)有一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的同步處理，另外也用來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常。還有一路信號(hào)可由單片機(jī)P1.1口進(jìn)行控制，根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果決定是否需要將其傳送給下一級(jí)控制器。

        另外，本電路選用的高穩(wěn)晶振是OCXO型號(hào)的穩(wěn)補(bǔ)晶體振蕩器，其工作頻率為1 MHz，頻差不大于10-7。它輸出的振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)整形、電平轉(zhuǎn)換變?yōu)檫m合TTL電路的電平，經(jīng)計(jì)數(shù)器分頻后得到滿足采樣率要求的時(shí)鐘信號(hào)(采樣率可調(diào))。該時(shí)鐘信號(hào)每隔1 s被1 pps信號(hào)的上升沿同步1次，使之運(yùn)行在GPS時(shí)間基準(zhǔn)上。由于1 MHz晶振的穩(wěn)定度很高，1 s內(nèi)漂移不超過(guò)1μs，因此得到的同步采樣脈沖精度很高。

        3 ADC與DSP的接口部分

        DSP芯片采用美國(guó)德州儀器(Texas Instruments)公司研制的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。它是一個(gè)32位定點(diǎn)運(yùn)算、集成度高、性?xún)r(jià)比高的DSP芯片。

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換精度，增加了片外外設(shè)ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A／D轉(zhuǎn)換器；它同ADS7861(12位)完全兼容，可以與F2812數(shù)字信號(hào)處理器直接接口使用。它是由四通道差分輸入分成兩組分別連接到獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器上的，可以完成雙信號(hào)的同時(shí)采集，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時(shí)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合數(shù)據(jù)采集的高采樣率要求的場(chǎng)合。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效地減少軟件開(kāi)銷(xiāo)，并且功耗非常低，只有150 mW。

        3.1 ADS8361與TMS320F2812接口電路設(shè)計(jì)

        TMS320F2812處理器提供多通道緩沖串口(McBSP)和串行外設(shè)接口(SPI)，兩種串口都可以與ADS8361接口。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，本系統(tǒng)采用的是McBSP的接口擴(kuò)展方式。在ADS8361與TMS320F2812的接口硬件設(shè)計(jì)時(shí)，為避免數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生振鈴，特意考慮在DSP與 ADS8361之間增加吸收電阻。由于TMS320F2812只有一個(gè)McBSP接口，因此必須將ADS8361設(shè)置在模式2和模式4。 TMS320F2812與ADS8361的硬件接口電路如圖4所示，ADS8361的CLOCK、(RD+CONVST)和SDA引腳分別連接到 McBSP的CLKX、(FSX+FSR)和DR引腳。由于McBSP上只連接一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換芯片，片選信號(hào)(CS)直接接地，如果需要擴(kuò)展多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換芯片，則可以采用GPIO控制片選信號(hào)；同時(shí)使用通用I／O控制ADS8361的工作模式，使M0=0，M1=1；DX控制ADS8361的通道選擇。

        3.2 模擬輸入信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

        電力系統(tǒng)的相電流和相電壓分別經(jīng)過(guò)CT和PT變換后，輸出為標(biāo)準(zhǔn)±10 V的模擬電壓信號(hào)。此模擬電壓信號(hào)需要經(jīng)過(guò)前端的低通濾波器，濾除不必要的高頻噪聲信號(hào)，以及將模擬輸入信號(hào)范圍由±10 V變換成后端A／D所能接受的信號(hào)范圍。每一路的模擬調(diào)理電路如圖5所示。

        4 USB接口通信電路部分

        通信電路采用USB接口，USB接口芯片選用Cypress公司的CY7C68001。CY7C68001與TMS320F2812的連接電路如圖6所示。

        CY7C68001作為T(mén)MS320F2812的外設(shè)，采用異步存儲(chǔ)器接口與TMS320F2812相連接，上位PC機(jī)可以喚醒CY7C68001，也可以配置USB芯片。USBCS是CY7C68001的片選信號(hào)線，在USBCS為低電平時(shí)，CY7C68001采用異步讀寫(xiě)方式完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令的交換。

        CY7C68001有兩種對(duì)外接口，分別是FIFO數(shù)據(jù)接口和命令口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這兩種對(duì)外接口配置在地址范圍是0x004000～0x004004 的空間，分配如表2所列。TMS320F2812通過(guò)CY7C68001的FIFO數(shù)據(jù)接口可以訪問(wèn)4個(gè)1 KB的FIFO中的數(shù)據(jù)，而FIFO數(shù)據(jù)接口的選擇是通過(guò)控制地址線A[2：0]來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)TMS320F2812的地址線A[2：0]為100B時(shí)，選中CY7C68001的命令口，然后通過(guò)命令口可以訪問(wèn)37個(gè)寄存器、Endpoint0緩沖器(64字節(jié)FIFO)和描述表(500字節(jié)FIFO)等。如果將Endpoint0緩沖器和描述表也看成寄存器，那么單個(gè)命令口內(nèi)含了眾多的寄存器，對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀／寫(xiě)訪問(wèn)采用二次尋址方式，即首先通過(guò)命令口將要尋址的寄存器子地址和操作類(lèi)型(讀操作或?qū)懖僮?寫(xiě)入，然后再通過(guò)命令口將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭胂鄳?yīng)的寄存器。

        CY7C68001還有一個(gè)中斷信號(hào)USBINT和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)(USBREADY、FLAGA、FLAGB、和FLAGC)。中斷信號(hào)USBINT占用 TMS320F2812的外部中斷XINT1，狀態(tài)信號(hào)USBREADY、FLAGA、FLAGB和FLAGC配置在另一個(gè)擴(kuò)展的寄存器中， TMS320F2812可對(duì)其進(jìn)行查詢(xún)，從而得到USB的狀態(tài)。USB芯片的WAKEUP也配置在另一個(gè)擴(kuò)展的寄存器中，TMS320F2812通過(guò)對(duì)這個(gè)寄存器的寫(xiě)操作達(dá)到喚醒USB的目的。

        5 系統(tǒng)的軟件部分

        系統(tǒng)的軟件部分包括主程序和各中斷程序以及系統(tǒng)與上位PC機(jī)的USB通信程序。主程序完成各變量及串行口的初始化，并利用傅里葉變換算法計(jì)算出各采樣點(diǎn)的實(shí)部和虛部。中斷程序包括A／D轉(zhuǎn)換程序、GPS時(shí)間信息的讀取程序等。本文重點(diǎn)介紹用于讀取GPS接收器串口輸出的中斷響應(yīng)程序的設(shè)計(jì)思路，程序流程如圖7所示。

        6 電源設(shè)計(jì)

        電源電路采用降額設(shè)計(jì)，并采用高精度電源電路，可保證供電系統(tǒng)的可靠性。

        ① ADS8361的內(nèi)部參考電源為+2.5 V。

        ② GPS15L OEM板的供電電壓為3.3～5.4 V，GPS接收天線的供電電壓為3.0 V。

        ③ TMS320F2812要求雙電源(1.9 V和3.3 V)為CPU、Flash、ROM、ADC和I／O接口供電。

當(dāng)上電時(shí)，為了保證芯片內(nèi)各個(gè)模塊的正確復(fù)位，TMS320F2812供電需要滿足一定的時(shí)序。該系統(tǒng)先給所有+3.3 V的電源引腳(VDDIO、VDD3VFL、VDDA1、VDDA2、VDDREF)上電，再接通1.9 V(VDD、VDD1)的芯片內(nèi)核電源；當(dāng)VDDIO的電壓上升到2.5 V時(shí)，VDD才上升到0.3 V，這樣才能保證片內(nèi)各個(gè)模塊上電時(shí)能正確復(fù)位。掉電時(shí)，在VDD下降到1.5 V之前，系統(tǒng)復(fù)位。這樣才能保證在VDD、VDDIO掉電之前片內(nèi)Flash模塊正確復(fù)位。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用TI公司提供的雙電源輸出、Low- Dropout型電源TPS76801QDR來(lái)給TMS320F2812供電，實(shí)現(xiàn)上述的供電時(shí)序。

        結(jié) 語(yǔ)

        本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為四通道，A／D轉(zhuǎn)換精度為16位，轉(zhuǎn)換精度高并且抗干擾能力極強(qiáng)，通過(guò)USB能夠?qū)崟r(shí)海量傳輸所采集到的數(shù)據(jù)。另外最重要的是，用GPS 授時(shí)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)授時(shí)模式，特別適合需要異地同步采集的場(chǎng)合。例如：在高速電氣化鐵道電氣參數(shù)參量中，為了能夠同步獲得列車(chē)電流、位置以及鋼軌電位、鋼軌電流、吸上線電流，只需要在列車(chē)上和鋼軌地面兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)使用同樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這樣測(cè)得的相量數(shù)據(jù)就有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，便于科學(xué)地分析這些參數(shù)。