基于ADSl274的可控式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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便攜式振動(dòng)測(cè)試分析儀憑借其輕巧方便,適用范圍廣,靈活性高,測(cè)量對(duì)象多的特點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)采集領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)振動(dòng)側(cè)試儀采用8位或16位單片機(jī)作為其控制器,用加速度傳感器或其他傳感器采集振動(dòng)物理信號(hào),并通過(guò)模擬調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)理電路將該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式量化,然后利用處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。但它的總體性能較差,主要表現(xiàn):MCU功能弱;工作模式簡(jiǎn)單;靈活性比較差;采樣精度低;功耗較高。對(duì)此采用TMS320VC5502高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和ADSl274高精度∑一△結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器,構(gòu)建了一個(gè)工作模式可控的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高精度多通道同步采樣和工作模式動(dòng)態(tài)選擇等功能,用戶可根據(jù)需要合理選擇系統(tǒng)的工作模式,使測(cè)試需求與系統(tǒng)功耗達(dá)到最佳配比。
2 器件選型
2.1 TMS320VC5502簡(jiǎn)介
TMS320vc5502是一款高性能的DSP??梢蕴峁┚哂?00 MHz雙MAC的強(qiáng)大性能,可實(shí)現(xiàn)高速、大容量數(shù)字信號(hào)處理,現(xiàn)已廣泛用于嵌入式電信設(shè)備、消費(fèi)類音頻、醫(yī)療、生物辨識(shí)和工業(yè)傳感器等領(lǐng)域。TMS320VC5502既提供了16/8位加強(qiáng)型主機(jī)接口(HPI),可實(shí)現(xiàn)雙處理器間的數(shù)據(jù)通訊功能;提供32位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF),以實(shí)現(xiàn)與廉價(jià)的SDRAM、SBRAM、異步RAM和Flash存儲(chǔ)器的無(wú)縫連接,便于外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展;具有3個(gè)McBSP和6通道DMA,可支持128通道100 Mh/s的內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 ADSl274簡(jiǎn)介
ADSl274是一款高精度A/D轉(zhuǎn)換器,具有24位精度.是一種寬動(dòng)態(tài)范圍的新型A/D轉(zhuǎn)換器,可實(shí)現(xiàn)4通道同步數(shù)據(jù)采集。ADSl274具有62 kHz的帶寬,最高采樣頻率可達(dá)128KS/s。主要特性包括:①采用差動(dòng)輸入方式,所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號(hào)相連;②采用∑一△結(jié)構(gòu),具有寬泛的動(dòng)態(tài)范圍和24位無(wú)差錯(cuò)編碼;③采用低噪聲增益可編程放大器(PGA),可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍,提高分辨率;④內(nèi)部采用三階數(shù)字濾波器,可濾除電源波紋和其他干擾;⑤采用多種內(nèi)部自校正技術(shù),用于校正失調(diào)電壓,校準(zhǔn)滿刻度誤差;⑥提供SPI或FRAME-SYNC接口;⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4種工作模式可以供用戶選擇;⑧采用獨(dú)立供電,+5 V模擬電源,1.8 V數(shù)字電源,1.8~3.3 V的I/0電源。ADSl274采用HTOFP一64封裝。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)采用TMS320VC5502作為主控制器件,片上資源豐富,可提供全雙工緩沖串口以及多路I/0接口。系統(tǒng)通過(guò)緩沖串口與A/D轉(zhuǎn)換器通訊.并通過(guò)兩路I/O接口實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器工作模式的控制.通過(guò)DSP的增強(qiáng)型HPI接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸.其傳輸速度高達(dá)100 Mb/s。TMS320VC一5502能高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、外圍器件和HPI通訊接口的配置,并根據(jù)上位機(jī)ARM控制器傳送來(lái)的主機(jī)命令,實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù).最后將處理后的數(shù)據(jù)包傳輸給上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)和高級(jí)處理。
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3.2 TMS320VC5502與ADSl274的接口電路
ADSl274提供SPI或FRAME—SYNC接口,可方便地實(shí)現(xiàn)與處理器的連接。該系統(tǒng)通過(guò)TMS320VC5502的多通道緩沖串口(McBSP)與ADSl274數(shù)據(jù)傳輸。TMS320VC5502與ADSl274的電路連接如圖1所示。
3.3 信號(hào)調(diào)理模塊
ADSl274通過(guò)設(shè)置可以采用單端輸入和差分輸入兩種模式。差分輸入可有效抑制零漂和消除信號(hào)共模干擾,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)放OPAl632后將信號(hào)輸入配置為差分輸入方式,具體信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。
3.4 電源模塊
TMS320VC5502需提供+3.3 V(I/O電源)和1.26 V(DSP核電源)兩種不同的供電電源,而ADSl274需對(duì)10VDD(+3.3V)、AVDD(+5 V)、DVDD(+1.8 V)分別供電,兇此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要電源模塊電路,以保證系統(tǒng)正常工作。這里,選用TI公司的專用電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)電源電路模塊,如圖3所示。
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3.5 ADSl274工作模式
由于∑一△結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器由于采用過(guò)抽樣理論,允許犧牲速度換取高精度或犧牲精度獲取高采樣頻率,因此通過(guò)對(duì)過(guò)抽樣率的調(diào)整來(lái)控制采樣頻率和采樣精度,以滿足不同信號(hào)的采樣需求。ADSl274可提供高速、高分辨率、低功耗和低速4種操作模式供用戶選擇,也可通過(guò)配置MODE[1:0]引腳信號(hào)實(shí)現(xiàn)模式控制。將ADSl274的模式選擇引腳MODE[1:0]連接到DSP巾的通用I/0端GPI03和GPI05引腳來(lái)選擇4種模式。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化階段,通過(guò)設(shè)置使DSP從GPI-03、GPIO5輸出相應(yīng)的模式選擇信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)模式選擇的可控性。同時(shí),通過(guò)DSP的定時(shí)器給ADSl274輸出時(shí)鐘,從而更精確地控制4個(gè)通道的同步采樣頻率。
3.6 數(shù)據(jù)通訊接口
ADl274的數(shù)據(jù)輸出接口基于SPI和Frame一Sync兩種協(xié)議,通過(guò)控制FORMAT[2:0]引腳來(lái)配置數(shù)據(jù)輸出模式。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)DSP的緩沖串口與A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)將FORMAT[2:0]3個(gè)引腳置低,而將數(shù)據(jù)接口配置為SPI協(xié)議的TDM模式。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括TMS320VC5502串口和ADSl274初始化、DSP主程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。DSP通過(guò)對(duì)McBSP復(fù)位并配置McBSP寄存器,完成串口初始化。ADSl274的初始化是通過(guò)配置控制寄存器而使數(shù)據(jù)、寄存器地址和配置信息在同一串口傳輸,ADSl274采用SPI和FRAME-SYNC通信模式,數(shù)據(jù)由DOUT讀出,然后通過(guò)McBSP串口將數(shù)據(jù)傳輸給DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
系統(tǒng)軟件函數(shù)主要包括mcbsp0_init,start_timerO,inter-rupt_init,CSL_init(),PLL_setFreq等。通過(guò)配置GPT和GPI0及系統(tǒng)中斷來(lái)控制兩個(gè)I/0端口的輸出,以實(shí)現(xiàn)對(duì)ADSl274工作模式的控制。
5 結(jié)語(yǔ)
在開(kāi)發(fā)以ARM_DSP雙核架構(gòu)為基礎(chǔ)的便攜式數(shù)據(jù)采集儀中,為解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、速度和功耗問(wèn)題,構(gòu)建了一種模式可控的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高性能DSP作為主控制器,動(dòng)態(tài)控制A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式.增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性和通用性,使用戶可以根據(jù)任務(wù)靈活選擇A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式,以使系統(tǒng)工作在最佳的功耗和性能配比下。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)打破了以往A/D轉(zhuǎn)換器固定工作模式的設(shè)計(jì)理念,為構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)更靈活、通用的解決方案。