DSP

《工业控制计算机》2009年22卷第2期

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基于DSP的高精度多路数据采集系统的设计

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DSP

穆洪伟赖康生(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023)

摘要

讨论了DSP芯片TMS320F2812和AD转换芯片AD7856的特点,设计了具有较高精度的基于AD7856和DSP的32路数据采集系统。给出了AD7856和DSP的接口电路以及DSP与上位机之问数据通讯的实现方式。

关键词:AD7856,DSP,TMS320F2812,数据采集

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随着现代工程实践的迅速发展,对数据采集系统的许多技术指标,如采样率、通道数、数据处理速度、抗干扰能力等方面提出了很高的要求。如何快速高精度的完成多路输入信号的采集并对采样数据进行稳定快速的处理,以满足工业现场的控制和检测要求,一直是数据采集技术的一个重要的研究方向。将DSP技术应用于数据采集系统中,其灵活强大的处理能力,可以大大提高数据采集的各项技术指标。

该设计的主控制芯片是TI公司提供的数字信号处理器(DSP)TMS320F2812。A/D转换芯片选用的是AD公司推出的8通道串行芯片AD7856。由于使用了这些集成度较高的芯片,系统具有高速、灵活、省电、可靠、通用性强的突出优点。1系统结构设计

该数据采集系统的基本功能是:控制32路模拟信号的采集工作,经过短暂存储及初步处理,将数字化信号通过高速CAN总线传递至PC主机,迸行数据分析。

SCI,串行外设接口SPI,增强型局域网控制器等。

由于DSP2812的内核同GPIO接口以及外设供电大小不同,上电时序也有要求,选择双路低压差电源调整器TPS767D318作为电源转换芯片,它能提供1.8V和3.3V电压。电路设计时将3.3V电压输出经RC电路和三极管开关获得延时信号,并用该信号来控制1.8V的输出使能,实现1.8V电压的延迟输出。

数据采集传输量比较大,有32路A/D采集通道数据需要保存,如果存放于内部RAM中容易引起数据的覆盖和丢失,所以需要选用一个外部存储设备作为缓冲区,进行数据的存储。外来信号数据经过转换传入双口RAM存储器暂时缓存,以协调A/D转换和通讯总线上数据传输的速率。此方案中选用的是

IS61LV25616,容量为256K×16。

2.2数据采集系统的设计

DSP2812片内自带12位ADC模块,但采集精度不够,该系统选择使用芯片AD7856完成数据采集。AD7856是AD公司推出的14位串口、高速.低功耗AD转换器,它采用5V单电源供电,最高采样率可以达到285K/s。AD7856的输入采样/保持电路在500ns内获取一个信号。采用单端采样模式,包含8个单端模拟输入,从AINl到AIN8。能够与多种串行接口兼容

(8。51/SPl/QSPl/DSP)。该设计采用4片AD7856并联的方

式。通过多路复用器MAX4524进行片选。

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在图1中.DSP需要完成对多片多路复用器和4片A/D转换器的控制。同时,根据不同的工作方式。还需要对A/D转换器的几个管脚状态进行查看。整个采集系统由DSP系统部分、数据采集部分、CAN总线通讯部分等组成。2系统硬件设计

2.1

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DSP系统设计

DSP系统由DSP芯片、电源芯片、存储芯片、电平转换芯片

圈2DSP与AD7856的接口电路

以及相应外围辅助电路组成。

DSP芯片采用美国TI公司的DSP2812,主频可达150MHz.具有强大的数据处理能力。片内集成有128K×16FIash,有56个独立可编程的通用输入输出接口(GPIO)。片上还集成了丰富的外设资源,包括事件管理器、模数转换器、串行通讯接口

图2所示的是主控制器DSP与其中一片AD7856的接口电路。其他3片接法与此相同,数据的输入输出与对应的引脚连接即可。AD7856的数据采用串行传输方式。可兼容典型的三线制SPl。因此可用DSP片上的SPI接口对AD7856进行数据写入和

DSP

16基于DSP的高精度多路数据采集系统的设计

语言编写可以提高程序的开发周期。对于实时性要求强或有比较复杂算法的部分,为提高DSP芯片代码的执行效率.使用汇编语言编写。

系统软件包括主程序和转换控制程序、数据存储程序、数…据处理程序、CAN总线通讯程序等于程序。当存储器的数据达到容量的1/3时,对数据做相应的处理并通过高速CAN总线发送到PC主机,系统的软件流程如图3所示。4系统测试结果

用VB6.0编写的上位机程序,测试通道数分别选用了1、8、16和32路四种不同情形。在系统时钟频率为6M的情况下,从测试和计算结果可以看出,系统最大单通道采样速率最高可达到210ksps,8路时采样率略有下降,也达到215ksps以上。16和32路时由于需要进行片选操作,芯片要从新初始化建立,采样速度不能保持稳定,若用平均采样率表示。二者大致相同,为200ksps左右。转换电路中使用了多路复用器以及光电耦合器件,这些器件都有一定的建立时间,因此就会引起数字信号延迟。此外由于需要不断的进行数据的读取处理和发送,也会大大增加CPU的开销,这是影响采样率的主要原因。

5结束语

圈3系统软件漉程圈

读取,输入输出均为16位的2进制数。串行AD芯片的优点是可以完全通过软件控制,这样可以节省许多片上的I/O空间,硬件连接简单、软件易于实现,程序运行效率高。缺点是在速度上与并行的AD芯片相比要差一些,但是对于AD7856这样的高速AD来说已经可以满足大多数工业现场的数据采集需要。

由于DSP2812外设的SPI资源有限,不能满足同时与多片AD的数据传输。采用这样一种设计方法实现一个SPl接口对4片AD的顺序控制。4片AD的时钟均由DSP上的SPl时钟提供,而每片AD转换控制引脚CONVST,状态引脚BUSY,以及同步控制引脚SYNC都连接到DSP上单独IO引脚上。DSP的输入(SPlSOMI)输出(SPISIMO)接口与4片AD7856的数据输出输入接口之间通过一个4选1的多路复用器MA×4524相连接。用DSP的两个I/O接口设置MA×4524来选择AD输入输出的管脚,这样就可以对4片AD7856的数据线顺序选通,实现32路模拟量的连续采集。

DSP系统的数字引脚均为3.3V供电,而其他外部芯片均为5V供电,因此需要在DSP与这些元件之间使用电平转换。由于接口的输入输出方向都是确定的,因此。可在DSP与其他芯片接口之间使用高速光电耦合器6N137实现单方向的电平转换。此外,光电耦合器在数字量的输入输出同DSP的通用输入输出接口之间起到隔离的作用,这样提高了抗干扰能力,可以满足复杂的工业现场环境工作需要。2.3通讯模块的设计

采集的数据量是通过高速CAN总线与主机进行通讯的。CAN总线是一种设计思想独特,具有高传输率、极高可靠性和抗干扰能力的现场总线。它的结构简单,通信方式灵活,可以点对点、点对多点及全局广播方式发送和接收数据等等优点,这里选择使用DSP2812片上的CAN控制器来完成与主机的通信。CAN收发器选用的是3.3V供电的SN65HVD251。PC主机端选用的是研华公司的CAN总线通讯卡,使用双绞线接口方式。3系统软件的设计

3.1

该系统将用于钢板厚度分布的无损检测。也可以广泛应用于需要多点模拟信号采集和处理的场合。

设计的创新点:系统通过高速CAN总线与PC主机进行通信,由于CAN总线通讯协议的特点,可以在不增加其他硬件设计的基础上,直接在总线上扩展更多相同的数据采集系统构成超多路的数据采集系统,可达到几百路之多。并且该系统具有通讯灵活、速度快、精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点,可应用在港口运输等大型的集装箱检测系统上。

参考文献

[1]苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电

子工业出版社,2005

[2]1.exasInstrument.TMS320F2812DigitaISignaIProcessorsData

ManuaI.2001

AD7856的工作时序分析

为了实现对系统的高速采样,首先对AD7856的时序进行

分析。AD7856有两种工作时序方式。一种是在转换过程结束之后进行数据的读写操作,另一种是在转换的过程中读写数据。为了达到最大的采样速率,采用后一种方式。

CONVST是转换启动信号,低电平有效,当CONVST的低电平脉冲大于100ns的时候,转换启动。这时BUSY信号由低电平跳转为高电平,并一直保持到转换结束之前。SYNC是同步信号,低电平时可进行数据的读写操作。由于读写数据都是16位操作,所以同步信号必须要达到16个时钟周期。转换的通道是由软件设置的,在每个通道转换的过程中需要同时向寄存器中写入数据,对下一次转换的通道进行配置。3.2系统软件流程

DSP程序使用与其配套的集成可视化开发环境CCS(Code

ComposerStudio)进行开发,编程语言使用C语言和汇编语言

[3]刘和平,邓力,江渝,等.数字信号处理器原理、结构及应用基础一

TMS320F28X[M].北京:机械工业出版社,20()6

[4]ANALOGDEVICES公司.AD7856数据手册[D],19∞

[收稿日期:2008.10芝3]

相结合的方式。C语言可读性和可移植性强。程序的整体使用C

罗克韦尔自动化推出基于Web网页的人机界面

罗克韦尔自动化的Facto旷aIk

VjewPo.nt软件,支持现有Facto咿raIkView站点版本(SE)可视化软件和AIIenBradIeyPan。

e|V.ewPIus应用程序的完全可升级和动态网页显示,用户在办公室、家中或者在路上都可以通过任何互联网浏览器进行访问。最初

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DSP

基于DSP的高精度多路数据采集系统的设计

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

穆洪伟, 赖康生

大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁,大连,116023工业控制计算机

INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER2009,22(2)2次

参考文献(4条)

1.ANALOG DEVICES公司 AD7856数据手册 1998

2.刘和平;邓力;江渝 数字信号处理器原理、结构及应用基础-TMS320F28X 20063.Texas Instrument TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual 20014.苏奎峰;吕强;耿庆锋 TMS320F2812原理与开发 2005

引证文献(2条)

1.赵云峰 基于DSP的高速数据采集系统的设计[期刊论文]-科学时代(上半月) 2010(6)

2.谭兴军.王宇俊.何新强 基于单片机的管道机器人多路数据实时采集系统的设计[期刊论文]-工业控制计算机2010(11)

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