基于DSP的16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)煤巖聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)的需求，采用16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A和高精度A／D轉(zhuǎn)換器ADS1278設(shè)計(jì)了一種具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集電路?？刂平涌诓捎肐2C接口擴(kuò)展I／O的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)接口采用McBSP接口以幀同步方式實(shí)現(xiàn)，2片ADS1278采用菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)。給出了硬件電路、底層軟件和測試結(jié)果，該數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單、高性能、低功耗、設(shè)置靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于課題組研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：DSP；聲發(fā)射；高精度；多通道；同步數(shù)據(jù)采集

    煤巖聲發(fā)射監(jiān)測，又名微震監(jiān)測，是一種公認(rèn)的很有發(fā)展前途的連續(xù)預(yù)測煤礦動(dòng)力災(zāi)害的方法。目前國內(nèi)已經(jīng)有多套國產(chǎn)和引進(jìn)的系統(tǒng)投入使用。其中，煤巖聲發(fā)射信號(hào)的采集是該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，它要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動(dòng)態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)已有多家單位進(jìn)行了相關(guān)的研究工作：熊慶國等采用單片機(jī)+DSP的方案研制出便于攜帶的具有16位分辨率的單通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀；周鳳星等采用C8051F022核心控制器，設(shè)計(jì)出能夠同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號(hào)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集站：潘一山等研制的礦震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用了16位、8通道的數(shù)據(jù)采集器；王繼強(qiáng)等以TMS320VC5402處理器，分別設(shè)計(jì)了8通道、16位分辨率的微震實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。
    隨著技術(shù)的快速發(fā)展，處理器和A／D轉(zhuǎn)換器的性能都在不斷改善，使得更多通道、更高分辨率的煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集成為可能。TMS320 VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定點(diǎn)DSP處理器，其主頻最高可達(dá)200 MHz，具有豐富的外設(shè)，適用于大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和處理。ADS1278是TI公司推出的一款工業(yè)級(jí)的24位分辨率、8通道同步A／D轉(zhuǎn)換器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，采樣率最高可以達(dá)144 ksps，并且可通過菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)多片，實(shí)現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集。文中以DSP處理器TMS320VC5509A為核心，通過菊花鏈的方式擴(kuò)展了2片ADS12 78，實(shí)現(xiàn)了24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集電路的工作原理
    數(shù)據(jù)采集電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其工作原理為：系統(tǒng)上電后，TMS320VC5509A(以下簡稱VC5509A)首先完成對(duì)自身資源的配置，然后通過I2C總線配置PCA9535的I／O口狀態(tài)，完成對(duì)ADS1278的基本配置。待以上準(zhǔn)備工作完畢后，VC5509A發(fā)出一個(gè)同步轉(zhuǎn)換脈沖，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；這時(shí)，前端傳感器采集的煤巖聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波等預(yù)處理后送入ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最后，各通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以時(shí)分復(fù)用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成數(shù)據(jù)的采集。

    由數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖可以看出，VC5509A與ADS1278的接口是該設(shè)計(jì)的核心。該接口電路按功能劃分為兩部分：一個(gè)是控制接口，用于設(shè)置ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和通道使能情況：另一個(gè)是數(shù)據(jù)接口，用于傳輸ADS1278采集的數(shù)據(jù)。此外，電源和基準(zhǔn)電路也是該數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，下文將詳細(xì)介紹。
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2 數(shù)據(jù)采集電路的硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 VC5509A與ADS1278控制接口電路設(shè)計(jì)
    ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)輸出模式和通道使能都是通過引腳來設(shè)定的，每片需要設(shè)置的引腳多達(dá)14個(gè)。倘若采用VC5509A的I／O口完成配置，勢必造成很大的資源浪費(fèi)。本文通過VC5509A的I2C控制器掛載了兩片PCA9535來完成對(duì)ADS1278的配置，只占用兩個(gè)引腳。

    圖2給出了單片ADS1278與VC5509A的控制接口電路，其中，3位撥碼開關(guān)用于設(shè)置PCA9535的I2C地址；PWDN[8：1]用于設(shè)置各通道的開啟情況；MODE[1：0]用于設(shè)置工作模式；FORMAT[2：0]用于設(shè)置串行數(shù)據(jù)輸出的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式；CLKDIV用于設(shè)置時(shí)鐘是否減半；LED指示引腳連接一個(gè)用戶指示燈，當(dāng)向?qū)?yīng)的I／O口寫入低電平時(shí)，該指示燈點(diǎn)亮，可據(jù)此觀察PCA9535配置是否成功。
2．2 VC5509A與ADS1278數(shù)據(jù)接口電路設(shè)計(jì)
    ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出，可以通過FORMAT[2：0]來選擇傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。本文通過VC5509A的McBSP外設(shè)接口來接收ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，該接口同時(shí)支持SPI和幀同步協(xié)議，能夠方便的實(shí)現(xiàn)ADS1278的無縫連接。相比較而言，幀同步模式擁有更快的傳輸速度，所以本文選擇了幀同步協(xié)議。

    VC5509A與ADS1278采用幀同步協(xié)議的數(shù)據(jù)接口電路如圖3所示，兩片ADS1278以菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)。其中，U3的輸入DIN接地，DOUT1連到U2的DIN輸入；U2的輸出DOUT1經(jīng)D觸發(fā)器后連到VC5509A的DR1引腳；U2和U3擁有相同的CLK、SCLK、SYNCn和FSYNC控制信號(hào)。[!--empirenews.page--]
2．3 電源和基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)
    穩(wěn)定、低噪聲的電源是實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集的必要保證，該數(shù)據(jù)采集電路包含3種典型電源：ADS1278的1．8 V內(nèi)核電源，3．3 V I／O口電源和5 V模擬電源。其中，5 V模擬電源通過具有較小紋波的LM7805線性穩(wěn)壓得到：3．3 V和1．8 V數(shù)字電源通過具有高電源抑制比和低噪聲性能的電源芯片TPS73033和TPS73018獲得。
    基準(zhǔn)電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，它會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)采集電路的精度和穩(wěn)定性。本文采用了TI公司的一款低噪聲、低溫漂、精度極高的電壓基準(zhǔn)芯片REF5025為ADS1278提供參考電壓。為使REF5025的輸出性能達(dá)到最佳，在將基準(zhǔn)信號(hào)送入ADS12 78之前添加了一級(jí)調(diào)理電路，用于進(jìn)行阻抗匹配和濾波。

3 數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件實(shí)現(xiàn)
    數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件實(shí)現(xiàn)包括配置和數(shù)據(jù)采集兩部分。其中，配置又可分為兩部分：一是對(duì)VC5509A本身的初始化，包括：CSL庫、PLL、GPIO、I2C、定時(shí)器、McBSP、DMA和中斷等：二是對(duì)ADS1278參數(shù)的設(shè)置，包括通道開啟情況、工作模式和采樣率等。數(shù)據(jù)采集工作主要是由DMA來完成的，CPU只負(fù)責(zé)切換緩沖區(qū)和處理數(shù)據(jù)等操作。
    數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先完成初始化和ADS1278的配置工作；然后，CPU發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖，啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入中斷等待狀態(tài)；與此同時(shí)由DMA來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)DMA存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷；CPU進(jìn)行切換緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)處理等操作，然后返回等待下一次中斷。

    在上述過程中，DMA和CPU是并行工作的：即DMA專門負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)搬移到緩沖區(qū)：而CPU則負(fù)責(zé)切換緩沖區(qū)并處理緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。但同一時(shí)刻，CPU和DMA操作的是不同的緩沖區(qū)：當(dāng)DMA向緩沖區(qū)0存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，CPU處理緩沖區(qū)1的數(shù)據(jù)：而DMA向緩沖區(qū)1存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，CPU
處理緩沖區(qū)0的數(shù)據(jù)。這樣DMA和CPU實(shí)現(xiàn)了一種“乒乓”切換操作，使得DSP能夠更加專注于數(shù)據(jù)處理，從而能夠發(fā)揮最佳性能。

4 數(shù)據(jù)采集測試結(jié)果
    由于數(shù)據(jù)采集電路的通道數(shù)眾多，無法一一展示測試結(jié)果，所以本文選取了兩組典型通道，分別測試同一信號(hào)和不同頻率的信號(hào)。用CCS集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行硬件仿真，在DMA中斷里設(shè)置斷點(diǎn)，并通過Graph工具調(diào)取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)顯示采集信號(hào)波形，結(jié)果分別見圖5(a)、(b)所示。測試中，設(shè)置ADS1278的采樣頻率為9 375 Hz，顯示緩沖區(qū)大小為1 024個(gè)點(diǎn)，圖中的橫坐標(biāo)是經(jīng)換算過后的時(shí)間信息，單位是ms，縱坐標(biāo)是A／D轉(zhuǎn)換后的實(shí)際數(shù)值。[!--empirenews.page--]

    圖5(a)中的測試信號(hào)頻率為100 Hz，幅值為100 mVpp。由圖可以看出，兩通道采集的信號(hào)波形一致，相位相同，說明了兩通道采樣的同步性。圖5(b)中，通道3信號(hào)頻率為200 Hz，幅值約為1．45 Vpp；通道9信號(hào)頻率為300 Hz，幅值為1．1Vpp。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，通道9的信號(hào)頻率約為通道3的1．5倍，信號(hào)幅值約為通道3的1．3倍，與測試信號(hào)對(duì)應(yīng)，這說明了兩通道采集不同信號(hào)的正確性。圖5(a)和(b)兩圖中的信號(hào)連續(xù)光滑，沒有突變點(diǎn)，這也說明了采集電路的高性能。

5 結(jié)論
    文中面向煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集，提出了一種大動(dòng)態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集電路的解決方案。該方案通過較少的接口既實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集，又可靈活開啟各通道、設(shè)置工作模式和采樣率等。采用本數(shù)據(jù)采集電路的方案，還可方便增加ADS1278到8片，將通道數(shù)擴(kuò)展到64個(gè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)據(jù)的同步采集。但在使用時(shí)需注意，該數(shù)據(jù)采集電路可擴(kuò)展的通道數(shù)會(huì)受到工作模式和工作時(shí)鐘頻率的制約。